Desinfektion durch Hochleistungs UV-LEDs

Traditionell wurde kurzwelliges UVA-, UVB- und UVC-Licht mit Quecksilberdampflampen erzeugt, heute ist es jedoch effizienter, umweltfreundlicher und sicherer stattdessen die LED-Technologie (Light Emitting Diode) zu verwenden. Quecksilberentladungslampen wandeln nur etwa 20% der elektrischen Leistung in UV-Strahlung um, der Rest geht als IR-Strahlung verloren. Dies macht sie heiß und unangenehm bei der Verwendung in engen Räumen. Sie laufen auch mit sehr hohen Erregerspannungen, die ein Sicherheitsrisiko darstellen können - insbesondere in nassen oder feuchten Umgebungen, denn diesen enthalten giftigen Quecksilberdampf, der das Recycling zu einem Problem macht und außerdem sind sie leicht zerbrechlich.

UV-LEDs hingegen sind flexibler und robuster, unempfindlicher gegen Feuchtigkeit, arbeiten mit sicheren Niederspannungen und sind kostengünstiger als Quecksilberentladungslampen. LEDs sind auch leichter dimmbar, um eine genauere Dosierung zu ermöglichen. Der andere große Vorteil ist, dass sie durch die Auswahl verschiedener LED-Typen leichter aufeinander abgestimmt werden können, um UVA (315-380nm), UVB (280-315nm), UVC (200-280nm) oder eine beliebige Mischung dieser Wellenlängen zu erzeugen. So könnte das gleiche PCB-Layout für viele verschiedene Zwecke verwendet werden. Beispielsweise könnte eine Kombination aus sichtbaren und UVA-LEDs zur Behandlung von Sekundärinfektionen wie MRSA oder zur Beseitigung von Schadstoffen in der Luft oder im Wasser verwendet werden, ohne schädliche Auswirkungen auf menschliche Haut oder Augen. Alternativ könnte das gleiche Design, wenn es mit hochintensiven UVC-LEDs bestückt ist, als leistungsstarke Desinfektionslampe verwendet werden, die auf die maximale Absorptionswellenlänge von 265nm für Viren- oder Bakterien-RNA abgestimmt wurden.

Wie alle Hochleistungs-LEDs sollten UV-LEDs von einer Konstantstromquelle betrieben werden. Die Beleuchtungsstärke ist proportional zum Strom, nicht zur Spannung. Die Kennlinie ist nichtlinear, so dass selbst kleine Schwankungen der Durchlassspannung der LED die Helligkeit erheblich verändern würden, wenn sie an einer Konstantspannungsquelle betrieben würde (Abbildung 2). Darüber hinaus variiert die Durchlassspannung mit der Temperatur und zwischen einzelnen LEDs, selbst wenn diese vom gleichen Hersteller sind.

Wenn die LEDs jedoch von einer Konstantstromquelle angetrieben werden, ändern jegliche Schwankungen der Durchlassspannung den Gesamtstrom (und damit die Helligkeit) nicht. Der LED-Treiber gleicht alle Änderungen oder Variationen der LED-Eigenschaften automatisch aus und hält so Lichtleistung konstant. Dies gilt sowohl für einzelne LEDs als auch für LED-Ketten, die alle den gleichen Strom teilen.

Der Hauptunterschied zwischen LEDs für sichtbares Licht und UV-LEDs ist der Betriebsspannungsbereich. 350mA- oder 700mA-LEDs für sichtbares Licht arbeiten typischerweise mit einer Durchlassspannung von 3-4 VDC, aber die energiereicheren UV-LEDs benötigen typischerweise 5-6VDC. Das heißt, wenn Sie beispielsweise eine LED-Lampe mit fünf Hochleistungs-LEDs und einem konstanten Strom von 350mA zusammenbauen möchten, benötigen Sie für UV-LEDs eine höhere Spannungsversorgung als für die gleiche Anzahl von LEDs für sichtbares Licht (Abbildung 3).

Empfohlen wird nicht, Hochleistungs-LEDs mit zwei oder mehr Strings parallel zu betreiben, da die Unterschiede in der kombinierten Durchlassspannung für jeden Strang des Strings zu einem Ungleichgewicht im Stromfluss führen würden. Wenn mehr Licht benötigt wird, fügen Sie einfach weitere LEDs in Reihe hinzu, damit der Strom (und damit die Helligkeit) jeder LED konstant bleibt. Nachteilig ist, dass bei langen Strings eine höhere Versorgungsspannung benötigt wird.

Andererseits ist es zulässig, UV- und sichtbare Licht-LEDs in einem String zu mischen, solange alle LEDs den gleichen Nennstrom haben, auch wenn sie sehr unterschiedliche Durchlassspannungen haben. Dies kann als sichtbare Warnung nützlich sein, dass die UV-LEDs aktiv sind, indem eine weiße oder farbige LED in die Kette mit aufgenommen wird, sowie die Strahlmusterverteilung der LED-Optik deutlich zu zeigen, damit der Anwendungsbereich besser gesehen werden kann.

RECOM bietet die RCDE-48-xxx-Serie mit vorkalibrierten maximalen Ausgangsströmen von 350mA, 700mA oder 1050mA und einer Eingangsspannung von bis zu 60 VDC (ausreichend um bis zu 10 UV-LEDs anzusteuern) an. Die RCDE-48-Serie ist nicht nur sehr kostengünstig, sondern verfügt auch über einen Dimm-Eingang, der auch zum Aktivieren/Deaktivieren verwendet werden kann (runterziehen, um den Ausgang auszuschalten, offenlassen oder hochziehen, um ihn einzuschalten).



Der RCDE-48 LED-Treiber ist außerdem hocheffizient (bis zu 97%), sodass tragbare batteriebetriebene UV- und sichtbare Lichtlampen mit langen Betriebszeiten problemlos konstruiert werden können.

Mit nur drei kostengünstigen RECOM-Komponenten und einem einfachen IC-Timer (Abbildung 6) lässt sich eine vollwertige netzbetriebene UV-Desinfektionslampe einfach auf einer Leiterplatte kleiner als 50mm² bauen (Abbildung 6), bestehend aus:

• RAC20-48SK AC/DC-Netzteil für die Platinenmontage mit einem Universaleingang von 85VAC bis 264VAC, einer eingebauten Sicherung, EMI-Filter und einem 48VDC geregelten und kurzschlussfesten Ausgang.
• RCDE-48-xxx LED-Treiber für die Platinenmontage mit Konstantstrom-Ausgang und linearem Dimmen-/Enable Eingang und 350mA, 700mA oder 1050mA maximalem LED-Treiberstrom.
• R-78HE5.0-0.3 Schaltreglermodul für die Leiterplattenmontage zum effizienten Absenken der 48 VDC Versorgungsspannung auf 5VDC bei 300mA, ohne dass ein Kühlkörper erforderlich ist (ein Längsregler könnte bei einem so großen Spannungsabfall zu heiß werden.)

Das Blockschaltbild ist unten dargestellt:


Für UV-Desinfektionsanwendungen, bei denen keine Dimmsteuerung erforderlich ist, kann ein AC/DC Konstantstrom LED-Treiber verwendet werden. RECOM bietet einen kostengünstigen, sicherheitszertifizierten 20W-Konstantstrom-LED-Treiber mit einer sehr niedrigen Bauhöhe von 13mm an, sodass die gesamte UVC-LED-Platine und der Treiber problemlos in die Decke einer kleinen UVC-Bestrahlungskammer eingebaut werden können: