UVC LED LTPL-G35UV275PR Datenblatt - 3,5x3,5x1,2mm - 6,2V typ. - 37mW Strahlungsfluss - 275nm Spitzenwellenlänge

1. Produktübersicht

Die LTPL-G35UV-Produktserie stellt einen bedeutenden Fortschritt bei Festkörper-Ultraviolettlichtquellen dar. Dieses Produkt wurde speziell für Sterilisations- und medizinische Anwendungen entwickelt und bietet eine leistungsstarke Alternative zu konventionellen UV-Technologien wie Quecksilberdampflampen. Durch den Einsatz von Leuchtdioden (LED)-Technologie vereint es außergewöhnliche Energieeffizienz mit der Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer, die Halbleiterbauelementen inhärent ist. Dies gibt Entwicklern größere Freiheit, innovative Lösungen für Desinfektions-, Wasseraufbereitungs- und Oberflächensterilisationssysteme zu schaffen.

Der Kernvorteil liegt in der Fähigkeit, effektive UV-C-Strahlung (im Bereich von 270-280nm) mit geringeren Betriebs- und Wartungskosten bereitzustellen. Das Bauteil ist für die Kompatibilität mit integrierten Schaltungstreibern (IC) ausgelegt und entspricht Umweltstandards, ist RoHS-konform und bleifrei. Die primären Zielmärkte umfassen Hersteller von Medizingeräten, Integratoren von Wasser- und Luftreinigungsanlagen sowie Entwickler von Sterilisationsgeräten für den Konsumgüter- oder Industriebereich.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der Wechsel von traditionellen UV-Quellen zu UVC LEDs bietet mehrere klare Vorteile. Erstens verbessern die sofortige Einschaltfähigkeit und das Fehlen einer Aufwärmphase die Systemreaktionsfähigkeit. Zweitens ermöglicht der kompakte Formfaktor die Integration in kleinere und tragbarere Geräte. Die gerichtete Abstrahlcharakteristik von LEDs erlaubt ein effizienteres optisches Design, das die Energie dorthin fokussiert, wo sie am dringendsten benötigt wird. Darüber hinaus beseitigt der Verzicht auf Quecksilber Umwelt- und Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit Entsorgung und Bruch.

Die Zielanwendung ist primär die keimtötende Bestrahlung, bei der UV-C-Licht bei etwa 275nm hochwirksam die DNA und RNA von Mikroorganismen wie Bakterien, Viren und Schimmelpilzen zerstört und sie damit inaktiviert. Dies macht die LED geeignet für Anwendungen wie Oberflächendesinfektion im Gesundheitswesen, Wasseraufbereitung in Point-of-Use-Systemen und Luftreinigung in HLK-Anlagen.

2. Tiefgehende Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für den Betrieb unter strengen Bedingungen spezifiziert. Die absoluten Maximalwerte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden führen kann. Zu den Schlüsselparametern gehören eine maximale Verlustleistung (P_O) von 2,1W und ein maximaler Dauer-Vorwärtsstrom (I_F) von 300mA. Der Betriebstemperaturbereich (T_opr) ist mit -40°C bis +80°C angegeben, was die Eignung sowohl für raue Industrie- als auch für kontrollierte medizinische Umgebungen anzeigt. Der Lagertemperaturbereich (T_stg) erstreckt sich auf -40°C bis +100°C. Ein kritischer Parameter ist die maximale Sperrschichttemperatur (T_j) von 115°C. Das Überschreiten dieser Temperatur beschleunigt den Degradationsprozess und verkürzt die Lebensdauer des Bauteils erheblich. Das Datenblatt warnt ausdrücklich davor, die LED über längere Zeit unter Sperrspannungsbedingungen zu betreiben, da dies zu sofortigem Ausfall führen kann.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Eigenschaften werden unter einer Standardtestbedingung von 25°C Umgebungstemperatur (T_a) gemessen und geben die erwartete Leistung im Normalbetrieb an.

• Flussspannung (V_F):Bei einem Treiberstrom von 250mA beträgt die typische Flussspannung 6,2V, maximal 7,0V und minimal 5,0V. Die Messtoleranz beträgt ±0,1V. Dieser Parameter ist entscheidend für den Entwurf der LED-Treiberstufe, da er die erforderliche Versorgungsspannung und Verlustleistung bestimmt.
• Strahlungsfluss (Φ_e):Dies ist die gesamte optische Ausgangsleistung im UV-C-Spektrum. Bei 250mA beträgt der typische Strahlungsfluss 37,0mW (min. 29,0mW). Bei Betrieb mit dem maximalen Nennstrom von 300mA steigt die typische Ausgangsleistung auf 43,0mW. Die Messtoleranz beträgt ±10%. Der Strahlungsfluss ist die Schlüsselmetrik zur Bestimmung der keimtötenden Wirksamkeit der LED in einer bestimmten Anwendung.
• Spitzenwellenlänge (λ_P):Die LED emittiert UV-C-Licht mit einer Spitzenwellenlänge zwischen 270nm und 280nm, zentriert um 275nm. Diese Wellenlänge liegt im optimalen Bereich für keimtötende Wirksamkeit. Die Messtoleranz beträgt ±3nm.
• Wärmewiderstand (R_{th j-s}):Der typische Wärmewiderstand von der Halbleitersperrschicht zum Lötpunkt beträgt 12,3 K/W. Dieser Wert, gemessen auf einer spezifischen Aluminium-MCPCB, ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design. Ein niedrigerer Wärmewiderstand ermöglicht eine effizientere Ableitung der Wärme von der Sperrschicht, was hilft, eine niedrigere T_j aufrechtzuerhalten und die Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):Der typische Abstrahlwinkel beträgt 120 Grad. Dieses breite Abstrahlmuster ist vorteilhaft für Anwendungen, die eine großflächige Abdeckung erfordern, kann jedoch für fokussierte Anwendungen Reflektoren oder Linsen erforderlich machen.
• Elektrostatische Entladung (ESD):Das Bauteil hält einer minimalen ESD-Festigkeit von 2000V gemäß der Norm JESD22-A114-B (Human Body Model) stand. Während der Montage und Installation müssen ordnungsgemäße ESD-Handhabungsverfahren eingehalten werden.

3. Erklärung des Bin-Code-Systems

Um eine konsistente Leistung zu gewährleisten, werden LEDs nach wichtigen Parametern, die während der Produktion gemessen werden, in Bins sortiert. Der Bin-Code ist auf der Verpackung markiert.

3.1 Flussspannung (V_F) Binning

LEDs werden bei einem Treiberstrom von 250mA in vier Spannungsbins (V1 bis V4) kategorisiert:

• V1: 5,0V – 5,5V
• V2: 5,5V – 6,0V
• V3: 6,0V – 6,5V
• V4: 6,5V – 7,0V

Die Toleranz innerhalb jedes Bins beträgt ±0,1V. Dieses Binning ermöglicht es Entwicklern, LEDs mit engerer Spannungsanpassung für in Reihe geschaltete Anwendungen auszuwählen, um eine gleichmäßigere Stromverteilung sicherzustellen.

3.2 Strahlungsfluss (Φ_e) Binning

Die Ausgangsleistung wird bei 250mA in vier Flussbins (X1 bis X4) sortiert:

• X1: 29,0mW – 34,0mW
• X2: 34,0mW – 39,0mW
• X3: 39,0mW – 44,0mW
• X4: 44,0mW und höher

Die Toleranz beträgt ±10%. Die Auswahl eines höheren Flussbins bietet eine größere optische Ausgangsleistung, was zu kürzeren Desinfektionszeiten führen oder den Einsatz von weniger LEDs in einem Array ermöglichen kann.

3.3 Spitzenwellenlänge (λ_P) Binning

Für dieses Produkt fallen alle Bauteile in ein einziges Wellenlängenbin, W1, das 270nm bis 280nm mit einer Toleranz von ±3nm abdeckt. Dies gewährleistet eine konsistente keimtötende Leistung über alle Einheiten hinweg, da die Inaktivierungsraten von Mikroorganismen stark wellenlängenabhängig sind.

4. Analyse der Leistungskurven

Die bereitgestellten Diagramme geben Einblick in das Verhalten der LED unter verschiedenen Bedingungen.

4.1 Relative spektrale Verteilung

Diese Kurve zeigt die Intensität des emittierten Lichts über das Ultraviolettspektrum. Sie bestätigt das schmale Emissionsband, das bei 275nm zentriert ist, was ideal ist, um die keimtötende Wirkung zu maximieren und gleichzeitig die Emission bei weniger wirksamen oder potenziell schädlichen Wellenlängen zu minimieren.

4.2 Relativer Strahlungsfluss vs. Vorwärtsstrom

Dieses Diagramm veranschaulicht die sublineare Beziehung zwischen Treiberstrom und optischer Ausgangsleistung. Während eine Erhöhung des Stroms die Ausgangsleistung steigert, nimmt der Wirkungsgrad (Strahlungsfluss pro Einheit elektrischer Leistung) bei höheren Strömen typischerweise aufgrund erhöhter thermischer Effekte und des Droop-Effekts ab. Dies unterstreicht die Bedeutung der Optimierung des Treiberstroms für das gewünschte Gleichgewicht zwischen Ausgangsleistung, Effizienz und Lebensdauer.

4.3 Flussspannung vs. Vorwärtsstrom & Sperrschichttemperatur

Die Flussspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt. Diese Eigenschaft muss in Konstantstrom-Treiberdesigns berücksichtigt werden, da ein niedrigerer V_F bei hoher Temperatur die elektrische Verlustleistung leicht reduzieren könnte.

4.4 Relativer Strahlungsfluss vs. Sperrschichttemperatur

Dies ist eine der kritischsten Kurven. Die Ausgangsleistung von UVC LEDs ist hochsensibel gegenüber der Sperrschichttemperatur. Das Diagramm zeigt einen signifikanten Rückgang des Strahlungsflusses mit steigender T_j. Ein effektives Wärmemanagement, um die Sperrschicht so kühl wie möglich zu halten, ist von größter Bedeutung, um eine hohe Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten und die spezifizierte Lebensdauer zu erreichen.

4.5 Vorwärtsstrom-Derating-Kurve

Diese Kurve definiert den maximal zulässigen Vorwärtsstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Umgebungstemperatur muss der maximal zulässige Strom reduziert werden, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Grenzwert von 115°C überschreitet. Dieses Diagramm ist wesentlich für den Entwurf von Systemen, die zuverlässig über ihren spezifizierten Temperaturbereich arbeiten.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Abmessungen

Das LED-Gehäuse hat einen kompakten Footprint von etwa 3,5mm x 3,5mm bei einer Höhe von etwa 1,2mm. Alle Abmessungen haben eine Toleranz von ±0,2mm, sofern nicht anders angegeben. Die mechanische Zeichnung spezifiziert die genaue Position des LED-Chips, der Lötpads und eventueller optischer Linsenstrukturen.

5.2 Empfohlene PCB-Anschlussfläche

Ein detailliertes Land Pattern Design wird für die Oberflächenmontage-Pads bereitgestellt. Die Einhaltung dieses empfohlenen Footprints ist entscheidend für zuverlässige Lötstellen, eine ordnungsgemäße Wärmeleitung zur Leiterplatte und die korrekte Ausrichtung. Die Spezifikationstoleranz für die Pad-Abmessungen beträgt ±0,1mm. Das Design umfasst typischerweise Wärmedurchkontaktierungen unter dem thermischen Pad, um Wärme in die Masseebene der Leiterplatte oder eine dedizierte Kühlkörperschicht zu leiten.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Ein detailliertes bleifreies Reflow-Profil wird spezifiziert, um Schäden während des Oberflächenmontageprozesses (SMT) zu verhindern. Zu den Schlüsselparametern gehören:

• Vorwärmen: 150-200°C für 60-120 Sekunden.
• Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (217°C): 60-150 Sekunden.
• Spitzentemperatur: Empfohlen 245°C, maximal 260°C.
• Zeit innerhalb von 5°C der Spitze: 10-30 Sekunden.
• Maximale Aufheizrate: 3°C/Sekunde.
• Maximale Abkühlrate: 6°C/Sekunde.

Die Temperaturen beziehen sich auf die Oberseite des Gehäuses. Ein schneller Abkühlprozess wird nicht empfohlen. Die LED kann maximal drei Reflow-Zyklen überstehen.

6.2 Handlöten und Reinigung

Falls Handlöten notwendig ist, sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten, und die Kontaktzeit sollte auf maximal 2 Sekunden pro Pad begrenzt werden, und dies nur einmalig. Zur Reinigung sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Nicht spezifizierte chemische Reiniger können die Silikonlinse oder das Gehäusematerial beschädigen.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Die LEDs werden auf geprägter Trägerfolie und auf Spulen für die automatisierte Pick-and-Place-Montage geliefert. Die Folienabmessungen (Taschengröße, Teilung) und Spulenabmessungen (Nabendurchmesser, Flanschdurchmesser) entsprechen den EIA-481-1-B-Standards. Eine 7-Zoll-Spule kann maximal 500 Stück aufnehmen. Die Mindestpackmenge für Restposten beträgt 100 Stück. Die Folie ist mit einer Deckfolie versiegelt, um die Bauteile zu schützen.

8. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

8.1 Wärmemanagement

Dies ist der mit Abstand kritischste Designfaktor. Die hohe Sensitivität der Ausgangsleistung gegenüber der Sperrschichttemperatur erfordert eine effektive Kühlstrategie. Verwenden Sie eine Metallkern-Leiterplatte (MCPCB) oder eine Standard-FR4-Leiterplatte mit großflächiger Kupferfläche und Wärmedurchkontaktierungen, die mit einem externen Kühlkörper verbunden sind. Das Ziel ist es, den Wärmewiderstand von der LED-Sperrschicht zur Umgebung (R_{th j-a}) zu minimieren. Beziehen Sie sich bei der Auslegung für hohe Umgebungstemperaturen immer auf die Vorwärtsstrom-Derating-Kurve.

8.2 Elektrische Ansteuerung

Ein Konstantstromtreiber ist für einen stabilen Betrieb zwingend erforderlich. Der Treiber sollte so ausgewählt werden, dass er den gewünschten Strom (z.B. 250mA oder 300mA) liefert und gleichzeitig den Flussspannungsbereich des ausgewählten Bins berücksichtigt. Erwägen Sie die Implementierung von Pulsweitenmodulation (PWM) zum Dimmen oder für taktbetriebenen Betrieb, was zur Steuerung der thermischen Belastung beitragen kann. Stellen Sie sicher, dass der Treiber gegen Verpolung und Spannungstransienten geschützt ist.

8.3 Optische und Materialüberlegungen

UV-C-Strahlung bei 275nm ist hochenergetisch und kann viele gängige Materialien abbauen, einschließlich bestimmter Kunststoffe, Epoxide und Klebstoffe. Stellen Sie sicher, dass alle Materialien im Strahlengang und in der Nähe der LED (Linsen, Reflektoren, Dichtungen, Kabelisolierung) für längere UV-C-Bestrahlung ausgelegt sind. Quarzglas wird typischerweise für Schutzfenster verwendet. Vermeiden Sie die direkte Exposition von Haut und Augen gegenüber der UV-C-Ausgangsstrahlung.

9. Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Das Datenblatt skizziert einen umfassenden Zuverlässigkeitstestplan, einschließlich Betriebslebensdauertest bei Raumtemperatur (RTOL), Hoch-/Tieftemperatur-Lagerungstest (HTSL/LTSL), Feuchtewärmetest und Temperaturschocktest. Diese Tests simulieren Jahre des Betriebs unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Das Ausfallkriterium ist definiert als eine Flussspannungsverschiebung von mehr als 10% oder ein Abfall des Strahlungsflusses unter 50% des Anfangswerts. Ein ordnungsgemäßes thermisches Design und ein elektrischer Betrieb innerhalb der spezifizierten Grenzen sind wesentlich, um die prognostizierte Lebensdauer im Feld zu erreichen.

10. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu traditionellen Niederdruck-Quecksilberdampflampen (die bei 254nm emittieren) bietet diese UVC LED mehrere Vorteile: Sofortiges Ein-/Ausschalten, kompakte Größe, gerichtete Abstrahlung, Robustheit (kein zerbrechliches Glas, kein Quecksilber) und das Potenzial zur Wellenlängenabstimmung. Im Vergleich zu anderen UVC LEDs sind die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieses spezifischen Bauteils die Kombination aus 275nm Wellenlänge, 37mW typischer Ausgangsleistung bei 250mA und dem 3,5x3,5mm Gehäuseformat. Der breite Abstrahlwinkel von 120 Grad kann je nach den optischen Designanforderungen der Anwendung ein Vorteil oder Nachteil sein.

11. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsfluss (mW) und keimtötender Wirksamkeit?

A: Strahlungsfluss ist die gesamte optische UV-C-Leistung. Die keimtötende Wirksamkeit hängt von dieser Leistung, dem Emissionsspektrum (Spitzenwellenlänge), dem Abstand zum Ziel, der Bestrahlungszeit und der spezifischen Empfindlichkeit des Mikroorganismus ab. Die 275nm Wellenlänge ist gegen ein breites Spektrum von Krankheitserregern sehr wirksam.

F: Kann ich diese LED mit einer Konstantspannungsquelle betreiben?

A: Nein. LEDs sind stromgesteuerte Bauelemente. Eine Konstantspannungsquelle regelt den Strom nicht, was zu thermischem Durchgehen und schnellem Ausfall führt. Verwenden Sie immer einen Konstantstromtreiber.

F: Wie berechne ich den erforderlichen Kühlkörper?

A: Sie müssen den gesamten Wärmewiderstandspfad bestimmen. Beginnen Sie mit dem Sperrschicht-zu-Lötpunkt-Widerstand (R_{th j-s}= 12,3 K/W). Addieren Sie den Wärmewiderstand Ihres Wärmeleitmaterials, der Leiterplatte und des externen Kühlkörpers. Stellen Sie mit der Formel T_j= T_a+ (P_diss* R_{th j-a}) sicher, dass T_j bei Ihrer maximalen Umgebungstemperatur und Treiberleistung (P_diss≈ I_F* V_F) unter 115°C bleibt.

F: Warum ist die Ausgangsleistung so temperaturabhängig?

A: Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von Halbleiterlichtquellen, insbesondere im ultravioletten Bereich. Eine erhöhte Temperatur steigert die nichtstrahlende Rekombination innerhalb des Halbleitermaterials, was den internen Quantenwirkungsgrad und damit die Lichtausbeute verringert.

12. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Beispiel: Entwurf eines tragbaren Oberflächensterilisations-Stabs.

Ein Entwickler möchte einen Handstabd zur Desinfektion von Oberflächen wie Arbeitsplatten, Tastaturen und Telefonen entwerfen. Er wählt die LTPL-G35UV275PR LED aufgrund ihrer kompakten Größe und 275nm Ausgangsleistung. Er plant, ein Array von 4 LEDs zu verwenden, um die Abdeckungsfläche zu vergrößern. Jede LED wird mit 250mA betrieben (typ. V_F=6,2V, P_diss=1,55W). Die gesamte Systemleistung beträgt ~6,2W. Ein leichter Aluminiumkühlkörper mit Kühlrippen ist in den Stabkörper integriert, um die ~6W Wärme abzuführen. Ein Konstantstromtreiber, der von einem wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku gespeist wird, wird entworfen. Eine Sicherheitsverriegelung stellt sicher, dass die LEDs nur aktiviert werden, wenn der Stab im korrekten Abstand von einer Oberfläche gehalten wird. Das optische Design nutzt den natürlichen 120-Grad-Strahl, um einen breiten Sterilisationsfleck zu erzeugen. Der Entwickler wählt LEDs aus dem X2-Flussbin (34-39mW) für konsistente Leistung und verwendet PWM zur Steuerung der Bestrahlungszeit (z.B. 10-Sekunden-Zyklen).

13. Funktionsprinzip

UVC LEDs basieren auf Halbleitermaterialien, typischerweise Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN). Wenn eine Flussspannung angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiters und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Wellenlänge dieser Photonen wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. Durch präzise Kontrolle des Aluminiumgehalts in den AlGaN-Schichten kann die Bandlücke so eingestellt werden, dass Licht im UV-C-Bereich (200-280nm) emittiert wird. Die 275nm-Emission wird durch präzise epitaktische Wachstumsprozesse erreicht. Die erzeugten UV-C-Photonen sind hochenergetisch und können molekulare Bindungen brechen, am kritischsten in der DNA/RNA von Mikroorganismen, was deren Vermehrung verhindert.

14. Entwicklungstrends

Das Gebiet der UVC LEDs entwickelt sich rasch. Zu den wichtigsten Trends gehören:

• Erhöhter Wall-Plug-Wirkungsgrad (WPE):Laufende Forschung zielt darauf ab, die elektrisch-optische Leistungsumwandlungseffizienz zu verbessern, was die Wärmeentwicklung und den Systemleistungsbedarf direkt reduziert.
• Höhere Ausgangsleistung:Entwicklung von LEDs mit höherem Strahlungsfluss aus einem einzelnen Emitter oder kleinerem Gehäuse, was kompaktere und leistungsstärkere Desinfektionssysteme ermöglicht.
• Längere Lebensdauer (L70/B50):Verbesserungen bei Materialien, Gehäusetechnik und Wärmemanagement verlängern die Betriebslebensdauer und machen LEDs für Anwendungen mit hohem Einschaltverhältnis wettbewerbsfähiger gegenüber traditionellen Lampen.
• Kostenreduzierung:Mit steigenden Produktionsvolumina und ausgereiften Prozessen sinken die Kosten pro Milliwatt UV-C-Ausgangsleistung stetig, was die Bandbreite machbarer Anwendungen erweitert.
• Wellenlängenoptimierung:Die Forschung zu der optimalen Wellenlänge für spezifische Krankheitserreger und Anwendungen wird fortgesetzt, was potenziell zu maßgeschneiderten LEDs für das Gesundheitswesen, die Wasser- und Luftreinigung führen könnte.

Der Übergang zu Festkörper-UV-C-Quellen ist ein klarer langfristiger Trend, der durch ihre inhärenten Vorteile in Formfaktor, Sicherheit und Steuerbarkeit vorangetrieben wird.