UVC LED的儀控應用

由於UVC LED能滿足市場對於小型化、降低成本和即時測量等趨勢的要求,將其導入光譜應用的興趣正持續升溫。相較於氘或氙氣閃光燈,LED輸出較窄頻譜光源,元件的光輸出全部都可用於測量。使用者可根據應用需求選擇感興趣的特定峰值波長。針對特定應用,目前已開發出254nm波長水銀燈的標準化測量方法。例如,當依據EPA標準檢測水和空氣品質時,需要一個接近254nm峰值波長的LED光源。表1整理在生命科學研究、藥品生產和環境監測等應用中,能以光譜辨識的一些重要有機化合物。

20160615 Crystal TA31P1 表1:常見的有機化合物及其峰值吸收波長

在儀控應用中,選擇光源的另一個主要標準是峰值波長的光輸出。由於LED只有單一峰值,所以光輸出均集中於一個特定波長,這和其它紫外線(UV)燈並不一樣。吸收光譜的應用通常需要低層級的光輸出——1mW或以下。然而,在流通池(flow cell)與光源隔離的情況,由於光訊號在到達流通池前存在嚴重衰減,所以需要更高的光輸出功率。這可要求LED的光輸出遠超1mW。

在螢光光譜域,訊號強度與光的強度成正比。LED的激勵功率取決於所需檢測的示蹤劑濃度高低,所以在這些應用中,單個LED所需的光輸出可能大於2mW。圖1比較儀器中常用的UV光源輻照度。儘管LED的輸入功率要小得多,但在所需UVA波長段的輻照度卻高於其它光源,使其成為在特定測量中實現更高效的光源。

20160615 Crystal TA31P2 圖1:UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度比較

在選擇波長與光輸出後,另一個重要參數是視角,它影響到儀器的整個光學系統。廣泛來說,它有兩種選擇:窄視角或寬視角。窄視角經由球透鏡實現,寬視角則採用平面窗。窄視角可在小範圍內獲得高強度光,而其封裝通常用於光直接聚焦投射於儀器的應用。

平面窗具有更廣的輻射模式,當與光纖同時用於遠端耦合時,具有較佳的容限。這特別適用於流通池必須與光源和電子電路隔離的應用(例如監測高溫化學過程或具有高揮發性溶劑的色譜分析)。在實際應用中:窄角球透鏡可使儀器中的元件數減至最少;而寬角平面窗則使設計更具有靈活性。

最佳化驅動電流,讓設計工程師可均衡光輸出以及應用的使用壽命要求。以低於製造商規範評等的額定電流驅動LED,將會降低光輸出,但也將延長光源的使用壽命。在需要高LED輸出功率的應用中,有些終端使用者選擇以高於資料表規格的電流驅動LED。以這種方式提高驅動電流,則可增加光輸出,但也會帶來犧牲性能的風險。

過熱是一種常見的問題,它可能同時對LED的光輸出和生命週期帶來負面影響。由於LED的瞬態開關特性,可以週期性方式快速開啟和關閉LED。在一般需要更高光輸出的螢光應用中,經常採用工作週期(duty cycle)操作,以便更安全地提高LED電流。

工作週期定義為LED在一次週期中開啟時間所佔的百分比;其中,週期是指完成一次LED開-關循環所用的總時間。例如,以50%工作週期作業的LED,其開啟和關閉時間恰好各佔一半。圖2顯示不同驅動電流與工作週期的標準化光輸出。

20160615 Crystal TA31P3 圖2:在此我們看到不同工作週期對標準化光輸出的影響,同時,LED的開啟時間持續在500μs。標準化功率是相對於最大額定工作電流100mA時(加裝合適散熱片)光輸出的相對光輸出功率

以大電流驅動LED會影響LED結溫,進而影響其使用壽命和光輸出。最佳化工作週期可讓增加的驅動電流對結溫的影響降至最小,從而保護LED性能。圖3顯示工作週期對維持LED結溫可能產生的影響。以5%的工作週期操作LED,可在對結溫影響最低的情況下,使光輸出(圖2)提高三倍。

20160615 Crystal TA31P4 圖3:圖中顯示不同工作週期對結溫的影響,其中LED開啟時間都是500μs

過度發熱對於LED光輸出和使用壽命帶來負面影響。長期來看,發熱會縮短LED的使用壽命。採用UVC LED設計時,熱管理極其重要,因為相較於更長波長的LED,驅動UVC LED能量的更大部份被轉化為熱量。適當的熱管理能使結溫低於特定應用的要求,並保持LED的性能。除了被動和主動冷卻方法,所選擇的PCB也可以實現更佳散熱。

20160615 Crystal TA31P5 圖4:圖中比較未使用散熱片的FR4和Al PCB的熱墊溫度(a);以及使用和不使用散熱片的Al PCB的熱墊溫度(b)

FR4 由於其成本相對較低,是最常用的PCB材料之一,但其熱導率較低。對於系統熱負載高的系統來說,熱導率更高的金屬芯PCB是更好選擇。隨著散熱需求增加,設計者通常採用加大PCB面積和增加散熱片的方式實現較優質的熱管理。如果需要更強的散熱,設計者還可採用更積極的冷卻技術。

隨著UVC LED性能提高,設計人員開始將其設計靈活的優勢用在光譜儀器和消毒反應器等應用中。在這些應用中選用LED,可實現更緊密、更高效,通常也更具成本效益的設計。隨著UVC LED技術的不斷發展,聰明的設計師將會發現更多方法來發揮UVC LED的優勢以因應這些市場的挑戰。