ورقة بيانات LED UVC طراز LTPL-G35UVC275GS - مقاس 3.5x3.5 مم - جهد أمامي 5.0-7.0 فولت - طول موجي قمة 275 نانومتر - أقصى قدرة 0.7 واط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTPL-G35UVC275GS ثنائي باعث للضوء (LED) عالي الأداء للأشعة فوق البنفسجية من النوع C (UVC)، مُصمم خصيصًا لتطبيقات التعقيم والاستخدامات الطبية. يمثل هذا المنتج تقدمًا كبيرًا في تقنية الإضاءة ذات الحالة الصلبة، حيث يوفر بديلاً موثوقًا وفعالًا من حيث استهلاك الطاقة للمصادر التقليدية للأشعة فوق البنفسجية مثل مصابيح الزئبق. يعمل الجهاز في نطاق الطول الموجي القاتل للجراثيم، والذي يبلغ عادةً حوالي 275 نانومتر، وهو فعال للغاية في تعطيل الكائنات الحية الدقيقة بما في ذلك البكتيريا والفيروسات.

تجمع سلسلة LED هذه بين الفوائد الجوهرية لتقنية LED - مثل العمر التشغيلي الطويل، والقدرة على التشغيل والإيقاف الفوري، والشكل المدمج - مع الناتج البصري المحدد المطلوب للتطهير الفعال. إنه يتيح حرية تصميم أكبر للمهندسين الذين يطورون معدات التعقيم، ومنقيات الهواء، وأنظمة معالجة المياه، والأجهزة الطبية. من خلال استبدال تقنيات الأشعة فوق البنفسجية القديمة، يساهم في أنظمة ذات تكاليف تشغيل أقل، ومتطلبات صيانة مخفضة، وملامح بيئية محسنة بسبب عدم احتوائه على الزئبق.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لهذا LED UVC توافقه مع أنظمة القيادة الدوائر المتكاملة (IC)، وامتثاله لتوجيهات RoHS (تقييد المواد الخطرة)، وبنائه الخالي من الرصاص. تجعل هذه الميزاته مناسبة للتكامل في المنتجات الإلكترونية الحديثة ذات المتطلبات التنظيمية والبيئية الصارمة. الأسواق المستهدفة هي في المقام الأول قطاعات الرعاية الصحية، والأجهزة الاستهلاكية، والمعدات الصناعية حيث يكون التطهير الفعال والموثوق للأسطح أو الهواء أو الماء أمرًا بالغ الأهمية. تتراوح التطبيقات من أجهزة التعقيم المحمولة وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء إلى منظفات الأدوات الطبية المتخصصة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يتم تعريف أداء LTPL-G35UVC275GS من خلال مجموعة شاملة من المعلمات الكهربائية والبصرية والحرارية التي تم قياسها في ظل الظروف القياسية (Ta=25°C). يعد فهم هذه المعلمات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الدائرة الكهربائية المناسبة وإدارة الحرارة لضمان الموثوقية وتحقيق الناتج الإشعاعي المطلوب.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي. الحد الأقصى لتبديد الطاقة (Po) هو 0.7 واط، وهي إجمالي الطاقة الكهربائية التي يمكن تحويلها إلى حرارة وضوء دون الإضرار بـ LED. الحد الأقصى للتيار الأمامي المستمر (IF) هو 100 مللي أمبير (mA). تم تصنيف الجهاز لنطاق درجة حرارة تشغيل (Topr) يتراوح من -40°C إلى +80°C ونطاق درجة حرارة تخزين (Tstg) يتراوح من -40°C إلى +100°C. الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة التقاطع (Tj) هو 90°C. يعد تجاوز درجة حرارة التقاطع سببًا رئيسيًا لفشل LED وتسارع انخفاض التدفق الضوئي.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

هذه هي معلمات الأداء النموذجية في ظل ظروف الاختبار المحددة. يتراوح الجهد الأمامي (VF) من حد أدنى 5.0 فولت إلى حد أقصى 7.0 فولت عند تيار اختبار 60 مللي أمبير، بقيمة نموذجية تبلغ 5.5 فولت. هذا الجهد المرتفع نسبيًا هو سمة مميزة لـ LEDs UVC بسبب مادة أشباه الموصلات ذات الفجوة النطاقية الواسعة. التدفق الإشعاعي (Φe)، وهو إجمالي ناتج الطاقة البصرية في طيف UVC، يبلغ عادةً 10.0 ملي واط (mW) عند 60 مللي أمبير. عند تيار أقل 20 مللي أمبير، ينخفض إلى 3.5 ملي واط، وعند الحد الأقصى للتيار 100 مللي أمبير، يصل إلى 14.0 ملي واط. يتركز الطول الموجي القمة (Wp) عند 275 نانومتر مع نطاق من 265 نانومتر إلى 280 نانومتر، مما يضعه بقوة في النطاق الأكثر فعالية لقتل الجراثيم (حوالي 260 نانومتر-280 نانومتر). زاوية الرؤية (2θ1/2) واسعة تبلغ 120 درجة، مما يوفر إشعاعًا واسعًا. المقاومة الحرارية من التقاطع إلى نقطة اللحام (Rth j-s) تبلغ عادةً 38 كلفن/واط، مما يشير إلى مدى فعالية نقل الحرارة من شريحة أشباه الموصلات إلى اللوحة. القيمة الأقل أفضل لإدارة الحرارة.

3. شرح نظام رموز التصنيف

لمراعاة الاختلافات في التصنيع، يتم فرز LEDs إلى فئات أداء. هذا يسمح للمصممين باختيار المكونات التي تلبي الاحتياجات المحددة لتطبيقهم. يستخدم LTPL-G35UVC275GS نظام تصنيف ثلاثي الأبعاد.

3.1 تصنيف الجهد الأمامي (VF)

يتم تصنيف LEDs إلى أربع فئات جهد: V1 (5.0V - 5.5V)، V2 (5.5V - 6.0V)، V3 (6.0V - 6.5V)، و V4 (6.5V - 7.0V)، جميعها مقاسة عند IF=60mA. يضمن اختيار LEDs من نفس فئة الجهد توزيعًا متسقًا للتيار عند تشغيل أجهزة متعددة على التوازي.

3.2 تصنيف التدفق الإشعاعي (Φe)

يتم تصنيف الناتج البصري إلى أربع فئات: X1 (7.0 - 8.0 ملي واط)، X2 (8.0 - 9.0 ملي واط)، X3 (9.0 - 10.0 ملي واط)، و X4 (10.0 ملي واط فأكثر)، مقاسة عند IF=60mA. هذا يسمح بأداء تعقيم يمكن التنبؤ به وحساب الجرعة.

3.3 تصنيف الطول الموجي القمة (Wp)

تقع جميع الأجهزة ضمن فئة طول موجي واحدة، W1، والتي تمتد من 265 نانومتر إلى 280 نانومتر. يضمن التحكم الدقيق حول 275 نانومتر أقصى فعالية لقتل الجراثيم، حيث تبلغ فعالية الضوء فوق البنفسجي في تعطيل الحمض النووي/الحمض النووي الريبي ذروتها في هذه المنطقة.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز في ظل ظروف مختلفة. هذه المنحنيات ضرورية للنمذجة الديناميكية وفهم المقايضات في الأداء.

4.1 التوزيع الطيفي النسبي

يُظهر هذا المنحنى شدة الضوء المنبعث عبر طيف الأشعة فوق البنفسجية. يؤكد نطاق الانبعاث الضيق المتمركز عند الطول الموجي القمة، مع انبعاث ضئيل خارج نطاق UVC، وهو أمر مهم للسلامة والفعالية.

4.2 نمط الإشعاع

يُظهر مخطط خاصية الإشعاع (غالبًا مخطط قطبي) زاوية الرؤية البالغة 120 درجة، موضحًا كيف تنخفض الشدة البصرية من المركز (0 درجة) إلى الحواف (±60 درجة). هذا يوجه التصميم البصري لتحقيق إشعاع موحد.

4.3 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا الرسم البياني أن الناتج الإشعاعي يزداد مع تيار القيادة ولكن ليس خطيًا. يميل إلى التشبع عند التيارات الأعلى بسبب زيادة الحرارة وانخفاض الكفاءة. يسلط هذا الضوء على أهمية تشغيل LED عند تيار أمثل لتحقيق أفضل توازن بين الناتج والعمر الافتراضي.

4.4 الجهد الأمامي مقابل التيار الأمامي

يُظهر منحنى IV العلاقة الأسية بين الجهد والتيار، وهي نموذجية للثنائي. يتم استخدامه لتحديد نقطة التشغيل عند تصميم دائرة تحديد التيار.

4.5 منحنيات الاعتماد على درجة الحرارة

الرسوم البيانية التي تُظهر التدفق الإشعاعي النسبي والجهد الأمامي كدالة لدرجة حرارة التقاطع أمر بالغ الأهمية. عادةً ما ينخفض ناتج LED UVC مع زيادة درجة الحرارة. ينخفض الجهد الأمامي مع ارتفاع درجة الحرارة. يجب مراعاة هذه العلاقات للتصميمات التي تعمل في ظروف غير محيطة أو مع تبريد حراري غير كافٍ.

4.6 منحنى تخفيض التيار الأمامي

هذا أحد أهم الرسوم البيانية للموثوقية. يُظهر الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي كدالة لدرجة الحرارة المحيطة. مع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض الحد الأقصى للتيار الآمن لمنع درجة حرارة التقاطع من تجاوز حدها البالغ 90°C. هذا المنحنى إلزامي لتحديد متطلبات المشتت الحراري.

5. معلومات الميكانيكية والعبوة

يأتي LED في عبوة جهاز مثبت على السطح (SMD) بأبعاد تقريبية 3.5 مم × 3.5 مم. يوفر الرسم التفصيلي القياسات الدقيقة لتصميم البصمة. تتضمن العبوة علامات قطبية واضحة (عادةً مؤشر الكاثود) لمنع التثبيت غير الصحيح أثناء التجميع. يتم توفير تخطيط وسادة التثبيت الموصى به للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لضمان اللحام والتوصيل الحراري المناسبين. يعد تصميم الوسادة أمرًا بالغ الأهمية لنقل الحرارة من الوسادة الحرارية لـ LED (نقطة اللحام) إلى طبقات النحاس في PCB، والتي تعمل كمشتت حراري أساسي.

6. إرشادات اللحام والتجميع

التعامل واللحام المناسبان أمران حيويان للحفاظ على أداء وموثوقية LED.

6.1 ملف تعريف إعادة التدفق لللحام

يوصى بملف تعريف إعادة تدفق خالٍ من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية مرحلة التسخين المسبق (150-200°C لمدة 60-120 ثانية)، ووقت فوق السائل (217°C) من 60-150 ثانية، ودرجة حرارة قمة 260°C (مع توصية بـ 245°C) محتفظ بها لمدة 10-30 ثانية. يجب التحكم في معدلات التسخين والتبريد إلى حد أقصى 3°C/ثانية و 6°C/ثانية على التوالي، لتقليل الصدمة الحرارية. لا ينصح بعملية تبريد سريعة.

6.2 التنظيف والتعامل

إذا كان التنظيف ضروريًا بعد اللحام، فيجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل فقط. يمكن للمنظفات الكيميائية غير المحددة أن تتلف عدسة السيليكون أو مادة العبوة. تعتبر LEDs حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، بأقصى جهد تحمل 2000 فولت (نموذج جسم الإنسان). يجب مراعاة احتياطات ESD القياسية أثناء التعامل.

7. معلومات التعبئة والطلب

يتم توريد LEDs على شريط وبكرة للتجميع الآلي بالالتقاط والوضع. تتوافق أبعاد الشريط ومواصفات البكرة (بكرة 7 بوصات تتسع حتى 500 قطعة) مع المعيار EIA-481-1-B. يتم وضع رمز تصنيف الفئة على كل كيس تعبئة، مما يسمح بتتبع الخصائص الكهربائية والبصرية للدفعة.

8. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي هو في أجهزة قتل الجراثيم: معقمات الأسطح للهواتف أو الأشياء الصغيرة، وحدات تعقيم المياه لأنظمة نقطة الاستخدام، ووحدات تنقية الهواء في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء أو منقيات الهواء المحمولة، وغرف التعقيم للأدوات الطبية أو السنية. حجمه الصغير يتيح التكامل في المنتجات المدمجة والمحمولة.

8.2 اعتبارات التصميم الحرجة

دائرة القيادة:سائق التيار الثابت ضروري، وليس مصدر جهد ثابت، لضمان ناتج بصري مستقر ومنع الانحراف الحراري. يجب أن يكون السائق قادرًا على توفير الجهد المطلوب (≥ VF max) عند التيار المحدد.

الإدارة الحرارية:هذا هو الجانب الأكثر أهمية في تصميم نظام LED UVC. تعني المقاومة الحرارية العالية (38 كلفن/واط) أن الحرارة تتراكم بسرعة عند التقاطع. تعتبر لوحة الدوائر المطبوعة ذات القلب المعدني (MCPCB) أو أي حل آخر فعال للإدارة الحرارية إلزاميًا للحفاظ على درجة حرارة التقاطع أقل من 90°C، خاصة عند التشغيل عند أو بالقرب من الحد الأقصى للتيار. يجب اتباع منحنى تخفيض التيار.

التصميم البصري:قد تتطلب الحزمة العريضة بزاوية 120 درجة عواكس أو عدسات لتوجيه ضوء UVC على السطح المستهدف للتعقيم الفعال. يجب أن تكون المواد مستقرة تحت UVC (مثل درجات معينة من الألومنيوم، PTFE، الكوارتز) حيث أن العديد من البلاستيك تتحلل تحت التعرض لـ UVC.

السلامة:إشعاع UVC ضار بجلد وعيون الإنسان. يجب أن تتضمن المنتجات أقفال أمان، وموقتات، ودرعًا لمنع تعرض المستخدم. مطلوب وضع علامات مناسبة.

9. الموثوقية والعمر الافتراضي

تتضمن ورقة البيانات خطة اختبار موثوقية شاملة. يتم إجراء اختبارات مثل عمر التشغيل في درجة حرارة الغرفة (RTOL)، وعمر التشغيل في درجة حرارة عالية/منخفضة (HTOL/LTOL)، ودورات درجة الحرارة لمدة تصل إلى 3000 ساعة. يتم تعريف معايير الفشل على أنها تحول في الجهد الأمامي يتجاوز 10%، أو انخفاض في التدفق الإشعاعي أقل من 50% من القيمة الأولية، أو تحول في الطول الموجي القمة يتجاوز ±2 نانومتر. تتحقق هذه الاختبارات من متانة المنتج تحت ضغوط بيئية مختلفة، مما يدعم ادعاءات العمر التشغيلي الطويل عند الاستخدام ضمن المواصفات.

10. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بمصابيح UVC التقليدية القائمة على الزئبق، يقدم هذا LED مزايا كبيرة: بدء تشغيل فوري (بدون وقت تسخين)، لا يحتوي على زئبق خطير، عمر افتراضي أطول، حجم مدمج، وقابلية للتعتيم الرقمي. مقارنة بـ LEDs UVC أخرى، فإن مجموعته المحددة من الطاقة البصرية (10 ملي واط نموذجي @60 مللي أمبير)، والطول الموجي (275 نانومتر)، وحجم العبوة (3.5x3.5 مم) يضعها في مكانة للتطبيقات التي تتطلب توازنًا بين الناتج وعامل الشكل. يوفر نظام التصنيف التفصيلي إمكانية التنبؤ للتصنيع بكميات كبيرة.

11. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو جهد السائق الذي أحتاجه؟

ج: يجب أن يكون جهد الخرج المطابق لسائق التيار الثابت الخاص بك أعلى من الحد الأقصى للجهد الأمامي (VF max) لفئة LED التي تستخدمها، عادةً 7.0 فولت، بالإضافة إلى بعض الهامش للخسائر في المسارات والوصلات.

س: كيف أحسب جرعة التعقيم؟

ج: الجرعة (بالجول لكل سنتيمتر مربع، J/cm²) هي حاصل ضرب الإشعاع (الطاقة البصرية لكل وحدة مساحة، W/cm²) ووقت التعرض (بالثواني). يجب عليك قياس أو حساب الإشعاع على السطح المستهدف بناءً على التدفق الإشعاعي لـ LED، وزاوية الحزمة، والمسافة، والبصريات. قارن هذا بالجرعة المطلوبة لتعطيل الممرض المستهدف.

س: هل يمكنني تشغيله عند 100 مللي أمبير بشكل مستمر؟

ج: يمكنك تشغيله عند 100 مللي أمبير فقط إذا كنت تستطيع ضمان بقاء درجة حرارة التقاطع أقل من 90°C، وهو ما يتطلب إدارة حرارية استثنائية. راجع منحنى تخفيض التيار؛ في درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، يكون الحد الأقصى المسموح به للتيار أقل بكثير.

س: لماذا الجهد الأمامي مرتفع جدًا؟

ج: تعتمد LEDs UVC على أشباه موصلات نيتريد الألومنيوم جاليوم (AlGaN) ذات فجوة نطاقية واسعة جدًا، والتي تتطلب بطبيعتها جهدًا أعلى لتحفيز الإلكترونات عبر الفجوة وإنتاج فوتونات ذات طول موجي قصير.

12. دراسة حالة التصميم والاستخدام

الحالة: تصميم زجاجة مياه محمولة للتعقيم.يهدف مصمم إلى إنشاء زجاجة يمكنها تعقيم 500 مل من الماء في 60 ثانية. باستخدام LTPL-G35UVC275GS (فئة X3، 9-10 ملي واط)، يخططون لاستخدام 4 LEDs. إجمالي التدفق الإشعاعي هو ~36-40 ملي واط. يتم تدوير الماء عبر غرفة رقيقة أمام LEDs. بافتراض كفاءة اقتران بصري 50% وجرعة UV مطلوبة للبكتيريا الشائعة تبلغ 40 ملي جول/سم²، يحسبون مساحة سطح الغرفة المطلوبة ومعدل التدفق. يتم اختيار سائق تيار ثابت مضبوط على 60 مللي أمبير لكل LED بقدرة خرج 9 فولت. يتم دمج مشتت حراري صغير من الألومنيوم مع MCPCB الخاص بـ LED لإدارة الحرارة خلال دورة الدقيقة الواحدة، مع الحفاظ على درجة حرارة التقاطع ضمن الحدود جيدًا. تشمل ميزات السلامة مفتاح قفل للغطاء وغطاء خارجي معتم.

13. مقدمة عن مبدأ التشغيل

LED UVC هو ثنائي تقاطع p-n شبه موصل. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات عبر التقاطع وتتحد مع الفجوات في المنطقة النشطة. في LED UVC، فجوة النطاق الطاقي لمادة أشباه الموصلات (AlGaN) كبيرة جدًا (~4.5 إلكترون فولت). عند حدوث إعادة الاتحاد، يتم إطلاق هذه الطاقة في شكل فوتون (جسيم ضوئي). يتناسب الطول الموجي لهذا الفوتون عكسيًا مع طاقة فجوة النطاق (λ = hc/Eg). فجوة نطاق تبلغ ~4.5 إلكترون فولت تقابل طولًا موجيًا للفوتون يبلغ حوالي 275 نانومتر، وهو في نطاق UVC. يمتص هذا الضوء عالي الطاقة بواسطة الحمض النووي والحمض النووي الريبي للكائنات الحية الدقيقة، مما يسبب ثنائيات الثايمين التي تمنع النسخ المتماثل، وبالتالي تعطيل الممرض.

14. اتجاهات وتطورات التكنولوجيا

مجال LEDs UVC يتطور بسرعة. تشمل الاتجاهات الرئيسية:

زيادة كفاءة الحائط-المقبس (WPE):يركز البحث على تحسين الكفاءة الكمية الداخلية (كم عدد الإلكترونات التي تنتج فوتونات) وكفاءة استخراج الضوء (إخراج الفوتونات من الشريحة)، مما يزيد مباشرة من التدفق الإشعاعي لمدخل كهربائي معين، مما يقلل من طاقة النظام والحمل الحراري.

أطوال موجية أطول >280 نانومتر:بينما يُعد ~275 نانومتر هو الأمثل للعمل القاتل للجراثيم، يمكن أن تقدم LEDs التي تشع بأطوال موجية أطول قليلاً (مثل 280-285 نانومتر) طاقة خرج أعلى وكفاءة مع الحفاظ على قدرة تعقيم كبيرة، مما يخلق خيارات مقايضة للمصممين.

تحسين العمر الافتراضي والموثوقية:التطورات في تصميم الشريحة، ومواد التعبئة (خاصة مواد التغليف المستقرة تحت UVC)، والإدارة الحرارية تزيد باستمرار من العمر التشغيلي (L70، الوقت حتى 70% من الناتج الأولي) لـ LEDs UVC، مما يجعلها أكثر جدوى لتطبيقات التشغيل المستمر.

تقليل التكلفة:مع زيادة أحجام التصنيع وتحسين الغلة، تنخفض التكلفة لكل ملي واط من الطاقة البصرية لـ UVC، مما يسرع من اعتماد تقنية LED عبر المزيد من قطاعات السوق، من المنتجات المهنية إلى الاستهلاكية.