ورقة بيانات LED UVC طراز LTPL-G35UVC275GC - 3.5x3.5 مم - 5.7 فولت نموذجي - 275 نانومتر - 19 ميغاواط نموذجي - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة منتجات LTPL-G35UVC مصدرًا ضوئيًا متقدمًا وفعالًا في استهلاك الطاقة، مصممًا خصيصًا لتطبيقات التعقيم والاستخدامات الطبية. تجمع هذه التقنية بين العمر التشغيلي الطويل والموثوقية العالية المتأصلة في الثنائيات الباعثة للضوء (LED) مع إنتاج فعال للطاقة المطهرة، مما يشكل تحديًا للمصادر التقليدية للأشعة فوق البنفسجية. توفر مرونة في التصميم وتمهد الطريق لإمكانيات جديدة في حلول التعقيم باستخدام UVC.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تم تصميم هذا الـ LED UVC للتطبيقات التي تتطلب تعطيلًا فعالًا للميكروبات. تشمل مزاياه الأساسية انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة بشكل كبير مقارنة بمصابيح بخار الزئبق التقليدية، وذلك بفضل كفاءة الطاقة الأعلى وعمر التشغيل الأطول. الجهاز متوافق مع لوائح RoHS وخالي من الرصاص، مما يتماشى مع اللوائح البيئية العالمية. كما أنه متوافق مع الدوائر المتكاملة (IC)، مما يسهل دمجه في أنظمة التحكم الإلكترونية الحديثة. تشمل الأسواق المستهدفة تعقيم الأجهزة الطبية، وأنظمة تنقية المياه والهواء، ومعدات تعقيم الأسطح.

2. المعايير التقنية: تفسير موضوعي متعمق

2.1 القيم القصوى المطلقة

قد يؤدي تشغيل الجهاز خارج هذه الحدود إلى تلف دائم. الحد الأقصى لتبديد الطاقة (Po) هو 1.1 واط. الحد الأقصى المطلق للتيار الأمامي المستمر (IF) هو 150 مللي أمبير. يمكن للجهاز العمل ضمن نطاق درجة حرارة المحيط (Topr) من -40°C إلى +80°C، والتخزين (Tstg) من -40°C إلى +100°C. الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة الوصلة (Tj) هو 105°C. لا ينصح بالتشغيل لفترات طويلة في ظل ظروف انحياز عكسي، حيث قد يؤدي ذلك إلى فشل المكون.

2.2 الخصائص الكهروضوئية عند درجة حرارة المحيط Ta=25°C

يتم قياس معايير الأداء الرئيسية عند تيار اختبار قياسي قدره 120 مللي أمبير. جهد التشغيل الأمامي (Vf) له قيمة نموذجية تبلغ 5.7 فولت، مع حد أدنى 5.0 فولت وحد أقصى 7.5 فولت. التدفق الإشعاعي (Φe)، الذي يمثل إجمالي طاقة الخرج الضوئية، يبلغ نموذجيًا 19 ميغاواط، مع حد أدنى 14 ميغاواط. الطول الموجي الذروي (λp) يتركز في طيف UVC، ويتراوح من 265 نانومتر إلى 280 نانومتر، مستهدفًا ذروة امتصاص الحمض النووي DNA/RNA للتعقيم الفعال. المقاومة الحرارية من الوصلة إلى نقطة اللحام (Rth j-s) تبلغ نموذجيًا 24 كلفن/واط، مما يشير إلى الحاجة إلى إدارة حرارية مناسبة. زاوية الرؤية (2θ1/2) تبلغ نموذجيًا 120 درجة. يمكن للجهاز تحمل تفريغ الكهرباء الساكنة (ESD) حتى 2000 فولت (نموذج جسم الإنسان).

2.3 الخصائص الحرارية

يعتبر تبديد الحرارة الفعال أمرًا بالغ الأهمية للأداء والعمر التشغيلي. المقاومة الحرارية المحددة (Rth j-s) البالغة 24 كلفن/واط تم قياسها باستخدام لوحة دائرة مطبوعة ذات قلب معدني من الألومنيوم (MCPCB) مقاس 2.0 × 2.0 × 0.17 سم. تجاوز درجة حرارة الوصلة القصوى البالغة 105°C سيسرع من تدهور التدفق الضوئي وقد يؤدي إلى فشل كارثي. يجب على المصممين حساب تبديد الحرارة اللازم بناءً على الطاقة المطبقة وظروف المحيط للحفاظ على الوصلة ضمن الحدود الآمنة.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

لضمان الاتساق في تصميم التطبيق، يتم فرز مصابيح LED إلى مجموعات أداء.

3.1 تصنيف جهد التشغيل الأمامي (Vf)

يتم تصنيف مصابيح LED إلى خمس مجموعات جهد (V1 إلى V5) عند 120 مللي أمبير، كل منها يغطي نطاق 0.5 فولت من 5.0 فولت إلى 7.5 فولت. التسامح لكل مجموعة هو ±0.1 فولت. يسمح ذلك للمصممين باختيار مصابيح LED ذات انخفاض جهد متشابه للتشغيل المستقر في التكوينات المتوازية أو للتنبؤ بدقة بمتطلبات السائق (Driver).

3.2 تصنيف التدفق الإشعاعي (Φe)

يتم فرز الخرج الضوئي إلى أربع مجموعات تدفق (X1 إلى X4) عند 120 مللي أمبير. تغطي X1 من 14 إلى 17 ميغاواط، وتغطي X2 من 17 إلى 20 ميغاواط، وتغطي X3 من 20 إلى 23 ميغاواط، وتشمل X4 الأجهزة ذات 23 ميغاواط فأكثر. التسامح هو ±7%. هذا التصنيف حاسم للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الجرعة، حيث يؤثر التدفق الإشعاعي بشكل مباشر على فعالية التعقيم.

3.3 تصنيف الطول الموجي الذروي (Wp)

تقع جميع الأجهزة ضمن مجموعة طول موجي واحدة، W1، والتي تمتد من 265 نانومتر إلى 280 نانومتر، مع تسامح قياس يبلغ ±3 نانومتر. يتم وضع رمز المجموعة على كيس التغليف لضمان إمكانية التتبع.

4. تحليل منحنيات الأداء

4.1 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل تيار التشغيل الأمامي

يزداد الخرج الضوئي بشكل فائق الخطية مع زيادة التيار. بينما يؤدي التشغيل بتيارات أعلى (حتى الحد الأقصى المطلق البالغ 150 مللي أمبير) إلى إنتاج خرج أكبر، فإنه يولد أيضًا حرارة أكبر بكثير، والتي يجب إدارتها لتجنب الانفلات الحراري والتدهور المتسارع.

4.2 التوزيع الطيفي النسبي

يظهر منحنى الخرج الطيفي نطاق انبعاث ضيق يتركز في نطاق UVC. يؤثر الطول الموجي الذروي الدقيق ضمن المجموعة 265-280 نانومتر على كفاءة تعطيل الميكروبات، حيث أن مسببات الأمراض المختلفة لها أطياف امتصاص تختلف قليلاً.

4.3 تيار التشغيل الأمامي مقابل جهد التشغيل الأمامي (منحنى I-V)

يوضح هذا المنحنى العلاقة الأسية بين الجهد والتيار في الثنائي. هذا أمر أساسي لتصميم سائقات التيار الثابت، حيث أن التغيير الصغير في الجهد يمكن أن يسبب تغييرًا كبيرًا في التيار، مما يؤثر على كل من الخرج الضوئي ودرجة حرارة الجهاز.

4.4 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل درجة حرارة الوصلة

كفاءة LED UVC حساسة للغاية لدرجة الحرارة. ينخفض التدفق الإشعاعي مع ارتفاع درجة حرارة الوصلة. يقوم هذا الرسم البياني بتحديد قيمة التخفيض (Derating)، مؤكدًا على الأهمية القصوى للحفاظ على درجة حرارة وصلة منخفضة لأداء ضوئي ثابت طوال عمر الجهاز.

4.5 نمط الإشعاع

يوضح الرسم القطبي زاوية الرؤية النموذجية البالغة 120 درجة، ويظهر التوزيع المكاني للإشعاع UVC المنبعث. هذا مهم لتصميم البصريات أو العواكس لتوجيه الضوء المطهر بشكل فعال على السطح أو الحجم المستهدف.

4.6 منحنى تخفيض تيار التشغيل الأمامي

يحدد هذا المنحنى الحد الأقصى المسموح به لتيار التشغيل الأمامي كدالة لدرجة حرارة المحيط. مع زيادة درجة حرارة المحيط، يجب تقليل الحد الأقصى لتيار التشغيل الآمن لمنع درجة حرارة الوصلة من تجاوز 105°C.

4.7 جهد التشغيل الأمامي مقابل درجة حرارة الوصلة

يتمتع جهد التشغيل الأمامي بمعامل درجة حرارة سالب؛ فهو ينخفض مع زيادة درجة حرارة الوصلة. يمكن استخدام هذه الخاصية أحيانًا لمراقبة درجة الحرارة بشكل غير مباشر في أنظمة الإدارة الحرارية ذات الحلقة المغلقة.

5. المعلومات الميكانيكية والتغليف

5.1 الأبعاد الخارجية

يبلغ حجم قاعدة التغليف حوالي 3.5 مم × 3.5 مم. جميع الأبعاد لها تسامح ±0.2 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يجب الرجوع إلى الرسم الميكانيكي الدقيق لتصميم نمط اللحام على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

5.2 تحديد القطبية وتصميم نقاط التوصيل (Pad)

تم توفير تخطيط نقاط التوصيل الموصى به على لوحة الدوائر المطبوعة لضمان لحام واتصال حراري موثوق. يتم تحديد نقاط الأنود والكاثود بوضوح. الالتزام بهذا النمط أمر بالغ الأهمية للمحاذاة الصحيحة، والتوصيل الكهربائي، ونقل الحرارة من وصلة LED إلى لوحة الدوائر المطبوعة.

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق (Reflow)

يوصى بملف تعريف لحام إعادة تدفق خالٍ من الرصاص. تشمل المعايير الرئيسية: درجة حرارة ذروية (Tp) بحد أقصى 260°C (يوصى بـ 245°C)، مع وقت فوق 217°C (tL) بين 60-150 ثانية. يجب أن تكون درجة حرارة التسخين المسبق بين 150-200°C لمدة 60-120 ثانية. يجب ألا يتجاوز معدل الصعود 3°C/ثانية، ويجب ألا يتجاوز معدل الهبوط 6°C/ثانية. يجب أن يكون إجمالي الوقت من 25°C إلى درجة الحرارة الذروية أقل من 8 دقائق. لا يوصى بعملية تبريد سريعة.

6.2 اللحام اليدوي وملاحظات عامة

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة طرف المكواة 300°C، ويجب أن يقتصر وقت التلامس على 2 ثانية كحد أقصى، لعملية واحدة فقط. لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من ثلاث مرات. جميع إشارات درجات الحرارة هي للجانب العلوي من جسم التغليف. استخدام اللحام بالغمس (Dip Soldering) غير مضمون. قد يحتاج ملف تعريف اللحام إلى تعديل بناءً على معجون اللحام المحدد المستخدم.

6.3 التنظيف

إذا كان التنظيف مطلوبًا بعد اللحام، فيجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل فقط. قد تتلف المنظفات الكيميائية غير المحددة مادة تغليف LED والخصائص البصرية.

7. معلومات التغليف والطلب

7.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد مصابيح LED على شريط حامل بارز مغلق بشريط غطاء، ملفوف على بكرات مقاس 7 بوصات. تحتوي البكرة القياسية على حد أقصى 500 قطعة، مع حد أدنى لكمية التعبئة يبلغ 100 قطعة للباقي. يتوافق التغليف مع مواصفات EIA-481-1-B. يُسمح بحد أقصى مكونين مفقودين متتاليين في الشريط.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذا الـ LED UVC مناسب لمجموعة متنوعة من التطبيقات المطهرة، بما في ذلك: تعقيم الأسطح في المعدات الطبية والمختبرية، وتعقيم الأدوات، وأنظمة تنقية المياه للتطبيقات عند نقطة الاستخدام أو النطاق الصغير، وتنقية الهواء في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) أو الأجهزة المحمولة. طبيعته الصلبة (Solid-State) تجعله مثاليًا للتصميمات التي تعمل بالبطارية أو المدمجة حيث تكون مصابيح الزئبق غير عملية.

8.2 اعتبارات التصميم

طريقة القيادة (Drive Method):مصابيح LED هي أجهزة تعمل بالتيار. يعتبر سائق التيار الثابت إلزاميًا لضمان خرج ضوئي مستقر ومنع الانفلات الحراري. عند توصيل عدة مصابيح LED، يُفضل التوصيل التسلسلي لتوحيد التيار. إذا كان التوصيل المتوازي لا مفر منه، فمن المستحسن بشدة استخدام مقاومات محددة للتيار لكل فرع أو سائقين منفصلين للتعويض عن الاختلافات الطفيفة في Vf بين الأجهزة.
الإدارة الحرارية (Thermal Management):هذا هو عامل التصميم الأكثر أهمية على الإطلاق. استخدم لوحة دائرة مطبوعة ذات قلب معدني (MCPCB) مناسبة أو طريقة أخرى فعالة لتبديد الحرارة للحفاظ على درجة حرارة الوصلة منخفضة قدر الإمكان، ويفضل أن تكون أقل من 85°C لأقصى عمر تشغيلي واستقرار في الخرج. يجب تصميم المسار الحراري من نقطة اللحام إلى المحيط بعناية.
التصميم البصري (Optical Design):ضع في اعتبارك زاوية الرؤية البالغة 120 درجة. للتطبيقات المركزة، قد تكون هناك حاجة إلى بصريات ثانوية (عدسات أو عواكس) مصنوعة من مواد شفافة للأشعة فوق البنفسجية مثل الكوارتز أو البلاستيك المتخصص. تأكد من مقاومة جميع المواد في المسار البصري لتدهور الأشعة فوق البنفسجية.
السلامة (Safety):إشعاع UVC ضار بجلد وعيون الإنسان. يجب أن تمنع الأغلفة أي تسرب لضوء UVC أثناء التشغيل. قم بتضمين أقفال أمان وملصقات تحذيرية حسب الضرورة.

9. الموثوقية والعمر التشغيلي

9.1 خطة اختبار الموثوقية

يخضع المنتج لنظام اختبار موثوقية شامل يشمل: اختبار العمر التشغيلي في درجة حرارة الغرفة (RTOL) عند 120 مللي أمبير لمدة 3000 ساعة وعند 150 مللي أمبير لمدة 1000 ساعة؛ اختبار تخزين العمر في درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة (HTSL/LTSL) عند 100°C و -40°C لمدة 1000 ساعة لكل منهما؛ اختبار تخزين الرطوبة ودرجة الحرارة المرتفعة (WHTSL) عند 60°C / 90% رطوبة نسبية لمدة 1000 ساعة؛ واختبار الصدمة الحرارية بدون تشغيل (TS) من -30°C إلى 85°C لمدة 100 دورة. يتم إجراء اختبارات العمر مع تركيب LED على مبدد حراري معدني مقاس 90x70x4 مم.

9.2 معايير الفشل

يعتبر الجهاز قد فشل إذا، بعد الاختبار، تغير جهد التشغيل الأمامي (Vf) عند 120 مللي أمبير بأكثر من ±10% من قيمته الأولية، أو إذا انخفض التدفق الإشعاعي (Φe) عند 120 مللي أمبير إلى أقل من 50% من قيمته الأولية.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هي طاقة الخرج الضوئية النموذجية؟
ج: عند تيار تشغيل 120 مللي أمبير ودرجة حرارة 25°C، يبلغ التدفق الإشعاعي النموذجي 19 ميغاواط، مع أجهزة مصنفة من 14 ميغاواط (الحد الأدنى) إلى 23 ميغاواط فأكثر.

س: كيف أقوم بتشغيل هذا الـ LED؟
ج: يجب عليك استخدام سائق تيار ثابت. الحد الأقصى المطلق للتيار هو 150 مللي أمبير. نقطة التشغيل النموذجية هي 120 مللي أمبير، مما ينتج عنه جهد تشغيل أمامي نموذجي 5.7 فولت. لا تقم بتوصيله مباشرة بمصدر جهد بدون تحديد للتيار.

س: لماذا تعتبر الإدارة الحرارية مهمة جدًا؟
ج: تنخفض كفاءة LED UVC بشكل كبير مع درجة الحرارة (انظر منحنى التدفق الإشعاعي النسبي مقابل درجة حرارة الوصلة). كما أن درجات حرارة الوصلة المرتفعة تقلل بشكل كبير من العمر التشغيلي للجهاز. يعتبر تبديد الحرارة المناسب أمرًا لا يمكن التفاوض عليه لأداء موثوق.

س: هل يمكنني استخدام هذا لتعقيم المياه؟
ج: نعم، إنه مناسب لتنقية المياه. الطول الموجي 265-280 نانومتر فعال ضد البكتيريا والفيروسات والطفيليات الأولية. يجب أن يضمن التصميم اختراق ضوء UVC للمياه بشكل فعال، ويجب أن يكون تغليف LED محكم الإغلاق عن البيئة.

س: كم مرة يمكنني إعادة لحام هذا المكون؟
ج: الحد الأقصى الموصى به هو ثلاث دورات لحام إعادة تدفق. يجب إجراء اللحام اليدوي مرة واحدة فقط، مع حدود صارمة على الوقت ودرجة الحرارة.

11. مثال على التصميم وحالة الاستخدام

السيناريو: تصميم عصا تعقيم سطح محمولة.
1. التصميم الكهربائي:استخدم بطارية ليثيوم أيون (3.7 فولت اسمي) مع دائرة سائق تيار ثابت معززة مضبوطة على 120 مللي أمبير. يجب على السائق تحويل جهد البطارية بكفاءة إلى الجهد المطلوب للـ LED وهو حوالي 5.7 فولت. 2.التصميم الحراري:قم بتركيب الـ LED على مبدد حراري ألومنيوم صغير مزود بزعانف. يجب حساب المقاومة الحرارية للمسار بأكمله (من الوصلة إلى نقطة اللحام، ومن نقطة اللحام إلى المبدد الحراري، ومن المبدد الحراري إلى المحيط) لضمان بقاء Tj أقل من 85°C خلال دورة التشغيل النموذجية البالغة 30-60 ثانية. ضع في اعتبارك التبريد النشط (مروحة صغيرة) إذا كان العصا مخصصة للاستخدام المطول. 3.التصميم الميكانيكي/البصري:ضع الـ LED والمبدد الحراري في رأس العصا. استخدم عدسة كوارتز لتركيز الحزمة ذات 120 درجة على بقعة أصغر للحصول على إشعاع أعلى على السطح المستهدف. يجب أن يمنع الغلاف تمامًا أي تسرب للأشعة فوق البنفسجية إلى المستخدم. 4.ميزات السلامة:قم بتضمين مستشعر قرب أو واقي مادي يجب أن يكون على اتصال بسطح قبل تشغيل الـ LED. قم بتضمين مؤقت زمني للحد من مدة التعرض لكل تفعيل.

12. مقدمة عن التقنية والاتجاهات

12.1 مبدأ التشغيل

مصابيح LED UVC هي أجهزة أشباه موصلات تشع ضوءًا في نطاق 200-280 نانومتر عندما يمر تيار كهربائي عبرها. يحدث هذا الانبعاث عندما تتحد الإلكترونات مع فجوات الإلكترون داخل منطقة النشاط في الجهاز، مما يطلق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد الطول الموجي المحدد بواسطة طاقة فجوة النطاق (Bandgap) لمواد أشباه الموصلات المستخدمة، وعادةً ما تكون مركبات قائمة على نيتريد الألومنيوم جاليوم (AlGaN) لـ UVC. يعطل الإشعاع UVC المنبعث الكائنات الحية الدقيقة عن طريق إتلاف الحمض النووي DNA والـ RNA الخاص بها، مما يمنع التكاثر.

12.2 اتجاهات التطوير

يركز سوق LED UVC على زيادة كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئية (Wall-plug efficiency) (طاقة الخرج الضوئية لكل وحدة طاقة كهربائية مدخلة)، والتي كانت تاريخيًا أقل من تلك الخاصة بمصابيح LED المرئية. التحسينات في نمو الطبقات البلورية (Epi)، وتصميم الرقاقة، وكفاءة استخراج الضوء من التغليف تدفع الكفاءة إلى الأعلى بثبات. اتجاه رئيسي آخر هو زيادة طاقة الخرج لكل رقاقة ولكل عبوة، مما يتيح أنظمة تعقيم أكثر إحكاما وقوة. كما أن البحث مستمر لتحسين عمر الجهاز وموثوقيته في ظل ظروف التشغيل عالية التيار ودرجة الحرارة. يظل خفض التكلفة من خلال زيادة حجم التصنيع وتحسين العائد محركًا حاسمًا لاعتماد أوسع في السوق ضد تقنية مصابيح الزئبق التقليدية.