ورقة بيانات LED UVC طراز LTPL-G35UV275PR - 3.5x3.5x1.2 مم - 6.2 فولت نموذجي - 37 ميغاواط تدفق إشعاعي - 275 نانومتر طول موجي ذروة

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة منتجات LTPL-G35UV تقدمًا كبيرًا في مصادر الضوء فوق البنفسجي ذات الحالة الصلبة. تم تصميم هذا المنتج خصيصًا لتطبيقات التعقيم والطبية، حيث يوفر بديلاً عالي الأداء لتقنيات الأشعة فوق البنفسجية التقليدية مثل مصابيح الزئبق. من خلال الاستفادة من تقنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، فإنه يجمع بين كفاءة الطاقة الاستثنائية والموثوقية وعمر التشغيل الطويل المتأصل في الأجهزة شبه الموصلة. وهذا يوفر للمصممين حرية أكبر لابتكار حلول جديدة لأنظمة التطهير، وتنقية المياه، وتعقيم الأسطح.

تكمن الميزة الأساسية في قدرته على تقديم إشعاع UVC فعال (في نطاق 270-280 نانومتر) بتكاليف تشغيل وصيانة أقل. تم تصميم الجهاز ليكون متوافقًا مع أنظمة القيادة الدوائر المتكاملة (IC) ويلتزم بالمعايير البيئية، حيث يتوافق مع RoHS وخالي من الرصاص. تشمل الأسواق المستهدفة الرئيسية مصنعي المعدات الطبية، ومتكاملي أنظمة تنقية المياه والهواء، ومطوري أجهزة التعقيم الاستهلاكية أو الصناعية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يوفر الانتقال من مصادر الأشعة فوق البنفسجية التقليدية إلى مصابيح LED UVC عدة فوائد مميزة. أولاً، قدرة التشغيل الفوري وعدم وجود وقت تسخين يحسنان استجابة النظام. ثانيًا، الشكل المضغوط يتيح التكامل في أجهزة أصغر وأكثر قابلية للنقل. تتيح الطبيعة الاتجاهية لانبعاث LED تصميمًا بصريًا أكثر كفاءة، حيث يتم تركيز الطاقة حيث تكون هناك حاجة إليها أكثر. علاوة على ذلك، فإن عدم وجود الزئبق يعالج المخاوف البيئية والسلامة المرتبطة بالتخلص والكسر.

التطبيق المستهدف هو في المقام الأول الإشعاع الجرثومي، حيث يكون ضوء UVC عند حوالي 275 نانومتر فعالاً للغاية في تعطيل الحمض النووي والحمض النووي الريبي للكائنات الدقيقة، بما في ذلك البكتيريا والفيروسات والعفن، مما يجعلها غير نشطة. وهذا يجعل LED مناسبًا لتطبيقات مثل تطهير الأسطح في البيئات الصحية، ومعالجة المياه في أنظمة نقطة الاستخدام، وتنقية الهواء في وحدات HVAC.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

يتم تحديد الجهاز للعمل في ظل ظروف صارمة. تحدد الحدود القصوى المطلقة الحدود التي قد يتجاوزها حدوث تلف دائم. تشمل المعلمات الرئيسية أقصى تبديد للطاقة (P_O) بقيمة 2.1 واط وأقصى تيار أمامي مستمر (I_F) بقيمة 300 مللي أمبير. نطاق درجة حرارة التشغيل (T_opr) محدد من -40 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية، مما يشير إلى ملاءمته لكل من البيئات الصناعية القاسية والبيئات الطبية الخاضعة للرقابة. نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg) يمتد إلى -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. المعلمة الحرجة هي أقصى درجة حرارة تقاطع (T_j) بقيمة 115 درجة مئوية. تجاوز هذه الحرارة سيسرع التدهور ويقلل بشكل كبير من عمر الجهاز. تحذر ورقة البيانات صراحةً من تشغيل LED في ظل ظروف انحياز عكسي لفترات طويلة، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى فشل فوري.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه الخصائص في حالة اختبار قياسية لدرجة حرارة محيطة 25 درجة مئوية (T_a) وتوفر الأداء المتوقع تحت التشغيل العادي.

• الجهد الأمامي (V_F):عند تيار قيادة 250 مللي أمبير، يكون الجهد الأمامي النموذجي 6.2 فولت، بحد أقصى 7.0 فولت وحد أدنى 5.0 فولت. تسامح القياس هو ±0.1 فولت. هذه المعلمة حاسمة لتصميم دائرة قيادة LED، حيث تحدد جهد الإمداد المطلوب وتبديد الطاقة.
• التدفق الإشعاعي (Φ_e):هذا هو إجمالي ناتج الطاقة البصرية في طيف UVC. عند 250 مللي أمبير، يكون التدفق الإشعاعي النموذجي 37.0 ميغاواط (الحد الأدنى 29.0 ميغاواط). عند القيادة بأقصى تيار مقنن 300 مللي أمبير، يزيد الناتج النموذجي إلى 43.0 ميغاواط. تسامح القياس هو ±10%. التدفق الإشعاعي هو المقياس الرئيسي لتحديد الفعالية الجرثومية لـ LED في تطبيق معين.
• الطول الموجي الذروة (λ_P):ينبعث LED ضوء UVC بطول موجي ذروة بين 270 نانومتر و 280 نانومتر، ومركزه حوالي 275 نانومتر. هذا الطول الموجي ضمن النطاق الأمثل للفعالية الجرثومية. تسامح القياس هو ±3 نانومتر.
• المقاومة الحرارية (R_{th j-s}):المقاومة الحرارية النموذجية من تقاطع أشباه الموصلات إلى نقطة اللحام هي 12.3 كلفن/واط. هذه القيمة، المقاسة على لوحة MCPCB ألومنيوم محددة، حيوية لتصميم إدارة الحرارة. مقاومة حرارية أقل تسمح بتوصيل الحرارة بعيدًا عن التقاطع بكفاءة أكبر، مما يساعد في الحفاظ على درجة حرارة T_jأقل وضمان الموثوقية على المدى الطويل.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):زاوية الرؤية النموذجية هي 120 درجة. هذا النمط الواسع للانبعاث مفيد للتطبيقات التي تتطلب تغطية واسعة النطاق ولكن قد تتطلب عواكس أو عدسات للتطبيقات المركزة.
• التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):يلبي الجهاز الحد الأدنى لجهد تحمل ESD بقيمة 2000 فولت وفقًا للمعيار JESD22-A114-B (نموذج جسم الإنسان). يجب اتباع إجراءات التعامل مع ESD المناسبة أثناء التجميع والتركيب.

3. شرح نظام رمز التصنيف

لضمان أداء متسق، يتم فرز مصابيح LED إلى فئات بناءً على المعايير الرئيسية المقاسة أثناء الإنتاج. يتم وضع علامة رمز التصنيف على العبوة.

3.1 تصنيف الجهد الأمامي (V_F)

يتم تصنيف مصابيح LED إلى أربع فئات جهد (V1 إلى V4) عند القيادة بتيار 250 مللي أمبير:

• V1: 5.0 فولت – 5.5 فولت
• V2: 5.5 فولت – 6.0 فولت
• V3: 6.0 فولت – 6.5 فولت
• V4: 6.5 فولت – 7.0 فولت

التسامح داخل كل فئة هو ±0.1 فولت. يسمح هذا التصنيف للمصممين باختيار مصابيح LED بمطابقة جهد أكثر دقة للتطبيقات التي يتم تشغيلها على التوالي، مما يضمن توزيعًا أكثر انتظامًا للتيار.

3.2 تصنيف التدفق الإشعاعي (Φ_e)

يتم فرز طاقة الخرج إلى أربع فئات تدفق (X1 إلى X4) عند 250 مللي أمبير:

• X1: 29.0 ميغاواط – 34.0 ميغاواط
• X2: 34.0 ميغاواط – 39.0 ميغاواط
• X3: 39.0 ميغاواط – 44.0 ميغاواط
• X4: 44.0 ميغاواط وأعلى

التسامح هو ±10%. اختيار فئة تدفق أعلى يوفر ناتجًا بصريًا أكبر، مما يمكن أن يترجم إلى أوقات تطهير أقصر أو يسمح باستخدام عدد أقل من مصابيح LED في مصفوفة.

3.3 تصنيف الطول الموجي الذروة (λ_P)

لهذا المنتج، تقع جميع الأجهزة ضمن فئة طول موجي واحدة، W1، تغطي 270 نانومتر إلى 280 نانومتر بتسامح ±3 نانومتر. وهذا يضمن أداءً جرثوميًا متسقًا عبر جميع الوحدات، حيث أن معدلات تعطيل الميكروبات تعتمد بشكل كبير على الطول الموجي.

4. تحليل منحنى الأداء

توفر الرسوم البيانية المقدمة نظرة ثاقبة على سلوك LED في ظل ظروف مختلفة.

4.1 التوزيع الطيفي النسبي

يظهر هذا المنحنى شدة الضوء المنبعث عبر طيف الأشعة فوق البنفسجية. يؤكد نطاق الانبعاث الضيق المتمركز عند 275 نانومتر، وهو مثالي لتعظيم التأثير الجرثومي مع تقليل الانبعاث عند الأطوال الموجية الأقل فعالية أو الضارة المحتملة.

4.2 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا الرسم البياني العلاقة شبه الخطية بين تيار القيادة والناتج البصري. بينما يزيد التيار من الناتج، تنخفض الكفاءة (التدفق الإشعاعي لكل وحدة طاقة كهربائية) عادةً عند التيارات الأعلى بسبب زيادة التأثيرات الحرارية والانخفاض. وهذا يسلط الضوء على أهمية تحسين تيار القيادة للتوازن المطلوب بين الناتج والكفاءة والعمر الافتراضي.

4.3 الجهد الأمامي مقابل التيار الأمامي ودرجة حرارة التقاطع

الجهد الأمامي له معامل درجة حرارة سالب، مما يعني أنه ينخفض مع ارتفاع درجة حرارة التقاطع. يجب أخذ هذه الخاصية في الاعتبار في تصميمات قائد التيار الثابت، حيث أن انخفاض V_Fعند درجة حرارة عالية يمكن أن يقلل قليلاً من تبديد الطاقة الكهربائية.

4.4 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل درجة حرارة التقاطع

هذا أحد أهم المنحنيات. ناتج LED UVC حساس للغاية لدرجة حرارة التقاطع. يظهر الرسم البياني انخفاضًا كبيرًا في التدفق الإشعاعي مع زيادة T_j. إدارة حرارية فعالة للحفاظ على التقاطع باردًا قدر الإمكان أمر بالغ الأهمية للحفاظ على ناتج عالٍ وتحقيق العمر الافتراضي المقنن.

4.5 منحنى تخفيض التيار الأمامي

يحدد هذا المنحنى أقصى تيار أمامي مسموح به كدالة لدرجة الحرارة المحيطة. مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، يجب تقليل الحد الأقصى للتيار المسموح به لمنع درجة حرارة التقاطع من تجاوز حدها البالغ 115 درجة مئوية. هذا الرسم البياني ضروري لتصميم الأنظمة التي تعمل بشكل موثوق عبر نطاق درجة حرارتها المحدد.

5. المعلومات الميكانيكية والعبوة

5.1 أبعاد المخطط التفصيلي

يحتوي غلاف LED على مساحة مضغوطة تبلغ حوالي 3.5 مم × 3.5 مم، بارتفاع حوالي 1.2 مم. جميع الأبعاد لها تسامح ±0.2 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يحدد الرسم الميكانيكي الموقع الدقيق لشريحة LED، ووسادات اللحام، وأي هيكل عدسة بصرية.

5.2 وسادة التثبيت الموصى بها للوحة الدوائر المطبوعة

يتم توفير تصميم نمط أرضي مفصل لوسادات التركيب السطحي. الالتزام بهذه المساحة الموصى بها أمر بالغ الأهمية لتحقيق وصلات لحام موثوقة، وتوصيل حراري مناسب إلى لوحة الدوائر المطبوعة، ومحاذاة صحيحة. تسامح المواصفات لأبعاد الوسادة هو ±0.1 مم. يتضمن التصميم عادةً ثقوبًا حرارية تحت الوسادة الحرارية لنقل الحرارة إلى مستوى أرضي لوحة الدوائر المطبوعة أو طبقة مبرد مخصصة.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 ملف تعريف إعادة التدفق الخالي من الرصاص

يتم تحديد ملف تعريف إعادة تدفق خالٍ من الرصاص مفصل لمنع التلف أثناء عملية تجميع تقنية التركيب السطحي (SMT). تشمل المعلمات الرئيسية:

• التسخين المسبق: 150-200 درجة مئوية لمدة 60-120 ثانية.
• الوقت فوق السائل (217 درجة مئوية): 60-150 ثانية.
• درجة الحرارة القصوى: موصى بها 245 درجة مئوية، الحد الأقصى 260 درجة مئوية.
• الوقت ضمن 5 درجات مئوية من القمة: 10-30 ثانية.
• أقصى معدل تصاعد: 3 درجة مئوية/ثانية.
• أقصى معدل تنازلي: 6 درجة مئوية/ثانية.

تشير درجات الحرارة إلى أعلى العبوة. لا يوصى بعملية تبريد سريعة. يمكن لـ LED تحمل أقصى ثلاث دورات إعادة تدفق.

6.2 اللحام اليدوي والتنظيف

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة طرف المكواة 300 درجة مئوية، ويجب أن يقتصر وقت التلامس على أقصى 2 ثانية لكل وسادة، ويتم ذلك مرة واحدة فقط. للتنظيف، يجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول فقط مثل كحول الأيزوبروبيل. قد تتلف منظفات كيميائية غير محددة عدسة السيليكون أو مادة العبوة.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد مصابيح LED على شريط حامل بارز وبكرات لتجميع الالتقاط والوضع الآلي. تتوافق أبعاد الشريط (حجم الجيب، المسافة) وأبعاد البكرة (قطر المحور، قطر الشفة) مع معايير EIA-481-1-B. يمكن أن تحمل بكرة 7 بوصات بحد أقصى 500 قطعة. الحد الأدنى لكميات التعبئة للدفعات المتبقية هو 100 قطعة. يتم إغلاق الشريط بشريط غطاء لحماية المكونات.

8. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 إدارة الحرارة

هذا هو عامل التصميم الأكثر أهمية على الإطلاق. الحساسية العالية للناتج لدرجة حرارة التقاطع تتطلب استراتيجية تبريد فعالة. استخدم لوحة دوائر مطبوعة ذات قلب معدني (MCPCB) أو لوحة دوائر مطبوعة FR4 قياسية مع صب نحاسي واسع وثقوب حرارية متصلة بمبرد خارجي. الهدف هو تقليل المقاومة الحرارية من تقاطع LED إلى البيئة المحيطة (R_{th j-a}). دائمًا راجع منحنى تخفيض التيار الأمامي عند التصميم لدرجات حرارة محيطة عالية.

8.2 القيادة الكهربائية

قائد تيار ثابت إلزامي للتشغيل المستقر. يجب اختيار القائد لتوفير التيار المطلوب (مثل 250 مللي أمبير أو 300 مللي أمبير) مع استيعاب نطاق الجهد الأمامي للفئة المختارة. فكر في تنفيذ تعديل عرض النبضة (PWM) للتعتيم أو التشغيل بدورة عمل، مما يمكن أن يساعد في إدارة الحمل الحراري. تأكد من حماية القائد ضد القطبية العكسية والتقلبات الجهدية.

8.3 الاعتبارات البصرية والمواد

إشعاع UVC عند 275 نانومتر عالي الطاقة ويمكن أن يتلف العديد من المواد الشائعة، بما في ذلك بعض البلاستيك، والإيبوكسيات، والمواد اللاصقة. تأكد من أن جميع المواد في المسار البصري وقرب LED (العدسات، العواكس، الحشيات، عزل الأسلاك) مصنفة للتعرض الطويل لـ UVC. عادةً ما يستخدم زجاج الكوارتز للنوافذ الواقية. تجنب التعرض المباشر للجلد والعينين لناتج UVC.

9. الموثوقية والعمر الافتراضي

تحدد ورقة البيانات خطة اختبار موثوقية شاملة، بما في ذلك عمر التشغيل في درجة حرارة الغرفة (RTOL)، وعمر التخزين في درجة حرارة عالية/منخفضة (HTSL/LTSL)، واختبار الرطوبة الحرارية، والصدمة الحرارية. تحاكي هذه الاختبارات سنوات من التشغيل في ظل ظروف إجهاد مختلفة. يتم تعريف معايير الفشل على أنها تحول في الجهد الأمامي يتجاوز 10% أو انخفاض في التدفق الإشعاعي أقل من 50% من القيمة الأولية. التصميم الحراري المناسب والتشغيل الكهربائي ضمن الحدود المحددة أمران أساسيان لتحقيق العمر الافتراضي المتوقع في الميدان.

10. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنة بمصابيح الزئبق منخفضة الضغط التقليدية (التي تنبعث عند 254 نانومتر)، يقدم LED UVC هذا عدة مزايا: التشغيل/الإيقاف الفوري، الحجم المضغوط، الانبعاث الاتجاهي، المتانة (لا زجاج هش، لا زئبق)، وإمكانية ضبط الطول الموجي. مقارنة بمصابيح LED UVC الأخرى، فإن المميزات الرئيسية لهذا الجزء المحدد هي مزيجه من الطول الموجي 275 نانومتر، الناتج النموذجي 37 ميغاواط عند 250 مللي أمبير، وتنسيق العبوة 3.5x3.5 مم. قد تكون زاوية الرؤية الواسعة 120 درجة ميزة أو عيبًا اعتمادًا على متطلبات التصميم البصري للتطبيق.

11. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س: ما الفرق بين التدفق الإشعاعي (ميغاواط) والفعالية الجرثومية؟

ج: التدفق الإشعاعي هو إجمالي الطاقة البصرية لـ UVC. تعتمد الفعالية الجرثومية على هذه الطاقة، وطيف الانبعاث (الطول الموجي الذروة)، والمسافة إلى الهدف، ووقت التعرض، وحساسية الكائن الدقيق المحدد. الطول الموجي 275 نانومتر فعال للغاية ضد مجموعة واسعة من مسببات الأمراض.

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED بمصدر جهد ثابت؟

ج: لا. مصابيح LED هي أجهزة تعمل بالتيار. لن ينظم مصدر الجهد الثابت التيار، مما يؤدي إلى الهروب الحراري والفشل السريع. استخدم دائمًا قائد تيار ثابت.

س: كيف أحسب المبرد المطلوب؟

ج: تحتاج إلى تحديد مسار المقاومة الحرارية الكلي. ابدأ بمقاومة التقاطع إلى اللحام (R_{th j-s}= 12.3 كلفن/واط). أضف المقاومة الحرارية لمادة الواجهة الحرارية، ولوحة الدوائر المطبوعة، والمبرد الخارجي. باستخدام الصيغة T_j= T_a+ (P_diss* R_{th j-a})، تأكد من بقاء T_jأقل من 115 درجة مئوية عند أقصى درجة حرارة محيطة لك وقوة القيادة (P_diss≈ I_F* V_F).

س: لماذا الناتج حساس للغاية لدرجة الحرارة؟

ج: هذه خاصية أساسية لمصادر الضوء شبه الموصلة، خاصة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تزيد درجة الحرارة المرتفعة من إعادة التركيب غير الإشعاعي داخل مادة أشباه الموصلات، مما يقلل من الكفاءة الكمية الداخلية وبالتالي ناتج الضوء.

12. تصميم عملي وحالة استخدام

الحالة: تصميم عصا تعقيم سطح محمولة.

يريد مصمم إنشاء عصا محمولة لتطهير الأسطح مثل أسطح العمل، ولوحات المفاتيح، والهواتف. يختارون LED طراز LTPL-G35UV275PR لحجمه المضغوط وناتجه 275 نانومتر. يخططون لاستخدام مصفوفة من 4 مصابيح LED لزيادة منطقة التغطية. سيتم تشغيل كل LED بتيار 250 مللي أمبير (V نموذجي_F=6.2 فولت، P_diss=1.55 واط). إجمالي طاقة النظام هو ~6.2 واط. يتم دمج مبرد ألومنيوم خفيف الوزن مع زعانف في جسم العصا لتبديد الحرارة البالغة ~6 واط. تم تصميم قائد تيار ثابت يعمل ببطارية ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن. يضمن قفل أمان تنشيط مصابيح LED فقط عندما يتم تثبيت العصا على المسافة الصحيحة من السطح. يستخدم التصميم البصري الحزمة الأصلية 120 درجة لإنشاء بقعة تعقيم واسعة. يختار المصمم مصابيح LED من فئة التدفق X2 (34-39 ميغاواط) لأداء متسق ويستخدم PWM للتحكم في وقت التعرض (مثل دورات 10 ثوانٍ).

13. مقدمة المبدأ

تعتمد مصابيح LED UVC على مواد شبه موصلة، عادةً نيتريد الألومنيوم الغاليوم (AlGaN). عند تطبيق جهد أمامي، تتحد الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة من أشباه الموصلات، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد طول موجي هذه الفوتونات بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات. من خلال التحكم الدقيق في محتوى الألومنيوم في طبقات AlGaN، يمكن هندسة فجوة النطاق لبعث الضوء في نطاق UVC (200-280 نانومتر). يتم تحقيق الانبعاث 275 نانومتر من خلال عمليات النمو البلوري الدقيقة. فوتونات UVC الناتجة عالية الطاقة ويمكنها كسر الروابط الجزيئية، الأكثر أهمية في الحمض النووي/الحمض النووي الريبي للكائنات الدقيقة، مما يمنعها من التكاثر.

14. اتجاهات التطوير

مجال مصابيح LED UVC يتطور بسرعة. تشمل الاتجاهات الرئيسية:

• زيادة كفاءة الحائط-المقبس (WPE):يهدف البحث المستمر إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى بصرية، مما يقلل مباشرة من توليد الحرارة ومتطلبات طاقة النظام.
• طاقة خرج أعلى:تطوير مصابيح LED بتدفق إشعاعي أعلى من باعث واحد أو عبوة أصغر، مما يتيح أنظمة تعقيم أكثر إحكاما وقوة.
• عمر افتراضي أطول (L70/B50):تحسينات في المواد، والتعبئة، وإدارة الحرارة تمدد عمر التشغيل، مما يجعل مصابيح LED أكثر تنافسية مع المصابيح التقليدية للتطبيقات ذات دورة العمل العالية.
• تخفيض التكلفة:مع زيادة أحجام التصنيع ونضج العمليات، تنخفض تكلفة كل ميغاواط من ناتج UVC بثبات، مما يوسع نطاق التطبيقات الممكنة.
• تحسين الطول الموجي:يستمر البحث في الطول الموجي الأمثل لمسببات الأمراض والتطبيقات المحددة، مما قد يؤدي إلى مصابيح LED مخصصة للرعاية الصحية، وتنقية المياه، والهواء.

الانتقال إلى مصادر UVC ذات الحالة الصلبة هو اتجاه طويل الأجل واضح مدفوع بمزاياها المتأصلة في الشكل، والسلامة، والقابلية للتحكم.