UVC LED LTPL-G35UVC275GS Datenblatt - 3,5x3,5mm - 5,0-7,0V - 275nm Spitzenwellenlänge - 0,7W Maximalleistung - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Die LTPL-G35UVC275GS ist eine leistungsstarke Ultraviolett-C (UVC) Leuchtdiode (LED), die speziell für Sterilisations- und medizinische Anwendungen entwickelt wurde. Dieses Produkt stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Festkörperbeleuchtungstechnologie dar und bietet eine zuverlässige und energieeffiziente Alternative zu konventionellen UV-Lichtquellen wie Quecksilberdampflampen. Das Bauteil arbeitet im keimtötenden Wellenlängenbereich, typischerweise um 275 Nanometer, welcher hochwirksam für die Inaktivierung von Mikroorganismen wie Bakterien und Viren ist.

Diese LED-Serie vereint die inhärenten Vorteile der LED-Technologie – wie lange Lebensdauer, sofortige Ein-/Ausschaltfähigkeit und kompakte Bauform – mit der spezifischen optischen Leistung, die für eine effektive Desinfektion erforderlich ist. Sie ermöglicht Entwicklern von Sterilisationsgeräten, Luftreinigern, Wasseraufbereitungssystemen und Medizinprodukten größere Designfreiheit. Durch den Ersatz älterer UV-Technologien trägt sie zu Systemen mit geringeren Betriebskosten, reduziertem Wartungsaufwand und einer verbesserten Umweltbilanz bei, da sie kein Quecksilber enthält.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile dieser UVC LED umfassen ihre Kompatibilität mit integrierten Schaltungstreibern (IC), die Konformität mit der RoHS-Richtlinie (Beschränkung gefährlicher Stoffe) und ihre bleifreie Konstruktion. Diese Merkmale machen sie für die Integration in moderne Elektronikprodukte mit strengen regulatorischen und Umweltanforderungen geeignet. Die Zielmärkte sind primär der Gesundheitssektor, der Konsumgüterbereich (Haushaltsgeräte) und der Industrieanlagenbau, wo eine effektive und zuverlässige Oberflächen-, Luft- oder Wasserdesinfektion entscheidend ist. Die Anwendungen reichen von tragbaren Sterilisatoren und HLK-Systemen bis hin zu speziellen Reinigungsgeräten für medizinische Instrumente.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die Leistung der LTPL-G35UVC275GS wird durch einen umfassenden Satz elektrischer, optischer und thermischer Parameter definiert, die unter Standardbedingungen (Ta=25°C) gemessen werden. Das Verständnis dieser Parameter ist entscheidend für einen korrekten Schaltungsentwurf und das thermische Management, um Zuverlässigkeit und die gewünschte Strahlungsleistung zu gewährleisten.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen. Die maximale Verlustleistung (Po) beträgt 0,7 Watt. Dies ist die gesamte elektrische Leistung, die in Wärme und Licht umgewandelt werden kann, ohne die LED zu beschädigen. Der maximale Dauer-Durchlassstrom (IF) beträgt 100 Milliampere (mA). Das Bauteil ist für einen Betriebstemperaturbereich (Topr) von -40°C bis +80°C und einen Lagertemperaturbereich (Tstg) von -40°C bis +100°C ausgelegt. Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur (Tj) beträgt 90°C. Das Überschreiten der Sperrschichttemperatur ist eine Hauptursache für LED-Ausfälle und beschleunigten Lichtstromrückgang.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen. Die Durchlassspannung (VF) liegt bei einem Prüfstrom von 60mA zwischen einem Minimum von 5,0V und einem Maximum von 7,0V, mit einem typischen Wert von 5,5V. Diese relativ hohe Spannung ist charakteristisch für UVC LEDs aufgrund ihres Halbleitermaterials mit großer Bandlücke. Der Strahlungsfluss (Φe), also die gesamte optische Ausgangsleistung im UVC-Spektrum, beträgt typischerweise 10,0 Milliwatt (mW) bei 60mA. Bei einem niedrigeren Strom von 20mA sinkt er auf 3,5 mW und erreicht beim Maximalstrom von 100mA 14,0 mW. Die Spitzenwellenlänge (Wp) liegt bei 275nm mit einer Bandbreite von 265nm bis 280nm, was sie fest im effektivsten keimtötenden Bereich (ca. 260nm-280nm) verortet. Der Abstrahlwinkel (2θ1/2) beträgt 120 Grad und ermöglicht eine breite Bestrahlung. Der thermische Widerstand von der Sperrschicht zum Lötpunkt (Rth j-s) beträgt typischerweise 38 K/W und gibt an, wie effektiv Wärme vom Halbleiterchip zur Leiterplatte abgeführt wird. Ein niedrigerer Wert ist für das thermische Management vorteilhafter.

3. Erläuterung des Bin-Code-Systems

Um Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen, werden LEDs nach Leistungsklassen (Bins) sortiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile auszuwählen, die den spezifischen Anforderungen ihrer Anwendung entsprechen. Die LTPL-G35UVC275GS verwendet ein dreidimensionales Binning-System.

3.1 Binning der Durchlassspannung (VF)

LEDs werden in vier Spannungs-Bins kategorisiert: V1 (5,0V - 5,5V), V2 (5,5V - 6,0V), V3 (6,0V - 6,5V) und V4 (6,5V - 7,0V), alle gemessen bei IF=60mA. Die Auswahl von LEDs aus demselben Spannungs-Bin gewährleistet eine gleichmäßige Stromverteilung, wenn mehrere Bauteile parallel geschaltet werden.

3.2 Binning des Strahlungsflusses (Φe)

Die optische Ausgangsleistung wird in vier Kategorien eingeteilt: X1 (7,0 - 8,0 mW), X2 (8,0 - 9,0 mW), X3 (9,0 - 10,0 mW) und X4 (10,0 mW und mehr), gemessen bei IF=60mA. Dies ermöglicht eine vorhersagbare Desinfektionsleistung und Dosisberechnung.

3.3 Binning der Spitzenwellenlänge (Wp)

Alle Bauteile fallen in einen einzigen Wellenlängen-Bin, W1, der von 265nm bis 280nm reicht. Die enge Toleranz um 275nm gewährleistet eine optimale keimtötende Wirksamkeit, da die Effektivität von UV-Licht zur Schädigung von DNA/RNA in diesem Bereich ihr Maximum erreicht.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Diese Kurven sind für die dynamische Modellierung und das Verständnis von Leistungskompromissen unerlässlich.

4.1 Relative spektrale Verteilung

Diese Kurve zeigt die Intensität des emittierten Lichts über das Ultraviolettspektrum. Sie bestätigt das schmale Emissionsband um die Spitzenwellenlänge herum, mit minimaler Emission außerhalb des UVC-Bereichs, was für Sicherheit und Wirksamkeit wichtig ist.

4.2 Abstrahlcharakteristik

Das Abstrahldiagramm (oft ein Polardiagramm) visualisiert den 120-Grad-Abstrahlwinkel und zeigt, wie die optische Intensität von der Mitte (0 Grad) zu den Rändern (±60 Grad) abnimmt. Dies ist für das optische Design zur Erzielung einer gleichmäßigen Bestrahlung von Bedeutung.

4.3 Relativer Strahlungsfluss in Abhängigkeit vom Durchlassstrom

Dieses Diagramm zeigt, dass die Strahlungsleistung mit dem Treiberstrom zunimmt, jedoch nicht linear. Bei höheren Strömen neigt sie aufgrund erhöhter Wärmeentwicklung und des Efficiency-Droop-Effekts zur Sättigung. Dies unterstreicht die Bedeutung, die LED bei einem optimalen Strom zu betreiben, um den besten Kompromiss zwischen Ausgangsleistung und Lebensdauer zu erzielen.

4.4 Durchlassspannung in Abhängigkeit vom Durchlassstrom

Die I-V-Kennlinie zeigt den exponentiellen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom, der für eine Diode typisch ist. Sie wird verwendet, um den Arbeitspunkt bei der Auslegung der strombegrenzenden Schaltung zu bestimmen.

4.5 Temperaturabhängigkeitskurven

Diagramme, die den relativen Strahlungsfluss und die Durchlassspannung in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur zeigen, sind kritisch. Die Ausgangsleistung einer UVC LED nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab. Die Durchlassspannung sinkt mit steigender Temperatur. Diese Zusammenhänge müssen bei Entwürfen berücksichtigt werden, die unter Nicht-Umgebungsbedingungen arbeiten oder unzureichende Kühlung aufweisen.

4.6 Derating-Kurve für den Durchlassstrom

Dies ist eines der wichtigsten Diagramme für die Zuverlässigkeit. Es zeigt den maximal zulässigen Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur sinkt der maximal sichere Strom, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Grenzwert von 90°C überschreitet. Diese Kurve ist zwingend erforderlich, um die Anforderungen an den Kühlkörper zu bestimmen.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die LED ist in einem SMD-Gehäuse (Surface-Mount Device) mit den Abmessungen von etwa 3,5mm x 3,5mm erhältlich. Die Umrisszeichnung liefert präzise Maße für das Footprint-Design. Das Gehäuse enthält klare Polarisierungsmarkierungen (typischerweise eine Kathodenkennzeichnung), um eine falsche Platzierung während der Montage zu verhindern. Das empfohlene Layout der Lötpads auf der Leiterplatte (PCB) wird bereitgestellt, um eine korrekte Lötung und thermische Verbindung zu gewährleisten. Das Pad-Design ist entscheidend für die Wärmeableitung vom thermischen Pad (Lötpunkt) der LED zu den Kupferlagen der Leiterplatte, die als primärer Wärmeverteiler dienen.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung und Lötung ist für die Aufrechterhaltung der LED-Leistung und -Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung.

6.1 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies Reflow-Profil wird empfohlen. Zu den wichtigsten Parametern gehören eine Vorwärmphase (150-200°C für 60-120s), eine Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (217°C) von 60-150 Sekunden und eine Spitzentemperatur von 260°C (empfohlen werden 245°C) für 10-30 Sekunden. Die Aufheiz- und Abkühlraten sollten auf maximal 3°C/s bzw. 6°C/s begrenzt werden, um thermische Schocks zu minimieren. Ein schneller Abkühlprozess wird nicht empfohlen.

6.2 Reinigung und Handhabung

Wenn nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Nicht spezifizierte chemische Reiniger können die Silikonlinse oder das Gehäusematerial beschädigen. Die LEDs sind empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) mit einer maximalen Spannungsfestigkeit von 2000V (Human Body Model). Während der Handhabung sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die LEDs werden auf Tape & Reel für die automatisierte Bestückung geliefert. Die Bandabmessungen und Spulenangaben (7-Zoll-Spule mit bis zu 500 Stück) entsprechen dem Standard EIA-481-1-B. Der Bin-Klassifizierungscode ist auf jedem Verpackungsbeutel aufgedruckt, was die Rückverfolgbarkeit der elektrischen und optischen Eigenschaften der Charge ermöglicht.

8. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Die primäre Anwendung liegt in keimtötenden Geräten: Oberflächendesinfektoren für Telefone oder kleine Gegenstände, Wassersterilisationsgeräte für Point-of-Use-Systeme, Luftreinigungsmodule in HLK-Systemen oder tragbaren Luftreinigern sowie Sterilisationskammern für medizinische oder zahnmedizinische Instrumente. Ihre geringe Größe ermöglicht die Integration in kompakte und tragbare Produkte.

8.2 Kritische Designüberlegungen

Treiberschaltung:Ein Konstantstromtreiber ist unerlässlich, keine Konstantspannungsquelle, um eine stabile optische Ausgangsleistung zu gewährleisten und thermisches Durchgehen zu verhindern. Der Treiber muss in der Lage sein, die erforderliche Spannung (≥ VF max) beim eingestellten Strom bereitzustellen.

Thermisches Management:Dies ist der kritischste Aspekt beim Design von UVC LED-Systemen. Der hohe thermische Widerstand (38 K/W) bedeutet, dass sich an der Sperrschicht schnell Wärme aufbaut. Eine Leiterplatte mit Metallkern (MCPCB) oder eine andere effektive thermische Managementlösung ist zwingend erforderlich, um die Sperrschichttemperatur unter 90°C zu halten, insbesondere beim Betrieb bei oder nahe dem Maximalstrom. Die Derating-Kurve muss befolgt werden.

Optisches Design:Der breite 120-Grad-Strahl kann Reflektoren oder Linsen erfordern, um das UVC-Licht auf die Zieloberfläche zu lenken und eine effiziente Desinfektion zu erreichen. Die Materialien müssen UVC-stabil sein (z.B. bestimmte Aluminiumlegierungen, PTFE, Quarzglas), da viele Kunststoffe unter UVC-Bestrahlung degradieren.

Sicherheit:UVC-Strahlung ist schädlich für menschliche Haut und Augen. Produkte müssen Sicherheitsverriegelungen, Timer und Abschirmungen enthalten, um eine Exposition der Benutzer zu verhindern. Eine ordnungsgemäße Kennzeichnung ist erforderlich.

9. Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Das Datenblatt enthält einen umfassenden Zuverlässigkeitstestplan. Tests wie Betriebslebensdauer bei Raumtemperatur (RTOL), Betriebslebensdauer bei hoher/niedriger Temperatur (HTOL/LTOL) und Temperaturwechseltests werden für bis zu 3000 Stunden durchgeführt. Das Ausfallkriterium ist definiert als eine Änderung der Durchlassspannung um mehr als 10%, ein Abfall des Strahlungsflusses unter 50% des Anfangswerts oder eine Verschiebung der Spitzenwellenlänge um mehr als ±2nm. Diese Tests validieren die Robustheit des Produkts unter verschiedenen Umgebungsbelastungen und untermauern die Angaben zur langen Betriebslebensdauer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch.

10. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu herkömmlichen quecksilberbasierten UVC-Lampen bietet diese LED erhebliche Vorteile: Sofortstart (keine Aufwärmzeit), kein gefährliches Quecksilber, längere Lebensdauer, kompakte Größe und digitale Dimmbarkeit. Im Vergleich zu anderen UVC LEDs positioniert sie ihre spezifische Kombination aus optischer Leistung (10mW typ. @60mA), Wellenlänge (275nm) und Gehäusegröße (3,5x3,5mm) für Anwendungen, die einen Kompromiss zwischen Ausgangsleistung und Bauform erfordern. Das detaillierte Binning-System bietet Vorhersagbarkeit für die Serienfertigung.

11. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Welche Treiberspannung benötige ich?

A: Die Ausgangsspannungsreserve Ihres Konstantstromtreibers muss höher sein als die maximale Durchlassspannung (VF max) des verwendeten LED-Bins, typischerweise 7,0V, plus etwas Spielraum für Verluste in den Leitungen und Verbindungen.

F: Wie berechne ich die Desinfektionsdosis?

A: Die Dosis (in Joule pro Quadratzentimeter, J/cm²) ist das Produkt aus Bestrahlungsstärke (optische Leistung pro Flächeneinheit, W/cm²) und Bestrahlungszeit (Sekunden). Sie müssen die Bestrahlungsstärke auf der Zieloberfläche basierend auf dem Strahlungsfluss der LED, dem Abstrahlwinkel, dem Abstand und der Optik messen oder berechnen. Vergleichen Sie diese mit der Dosis, die zur Inaktivierung Ihres Zielpathogens erforderlich ist.

F: Kann ich sie dauerhaft mit 100mA betreiben?

A: Sie können sie nur mit 100mA betreiben, wenn Sie garantieren können, dass die Sperrschichttemperatur unter 90°C bleibt, was ein außergewöhnliches thermisches Management erfordert. Beachten Sie die Strom-Derating-Kurve; bei erhöhten Umgebungstemperaturen ist der maximal zulässige Strom deutlich niedriger.

F: Warum ist die Durchlassspannung so hoch?

A: UVC LEDs basieren auf Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Halbleitern mit einer sehr großen Bandlücke, die inhärent eine höhere Spannung erfordert, um Elektronen über die Lücke anzuregen und kurzwelligen Photonen zu erzeugen.

12. Design- und Anwendungsfallstudie

Fall: Entwicklung einer tragbaren Wassersterilisationsflasche.Ein Entwickler möchte eine Flasche entwerfen, die 500ml Wasser in 60 Sekunden sterilisieren kann. Unter Verwendung der LTPL-G35UVC275GS (X3-Bin, 9-10mW) plant er den Einsatz von 4 LEDs. Der gesamte Strahlungsfluss beträgt ~36-40mW. Das Wasser wird in einer dünnen Kammer an den LEDs vorbeigeführt. Unter der Annahme einer optischen Kopplungseffizienz von 50% und einer erforderlichen UV-Dosis für gängige Bakterien von 40 mJ/cm² berechnet er die erforderliche Kammeroberfläche und Durchflussrate. Ein Konstantstromtreiber, der auf 60mA pro LED mit einer Ausgangsfähigkeit von 9V eingestellt ist, wird ausgewählt. Ein kleiner Aluminiumkühlkörper ist mit der LED-MCPCB integriert, um die Wärme während des einminütigen Zyklus zu managen und die Sperrschichttemperatur deutlich innerhalb der Grenzwerte zu halten. Sicherheitsmerkmale umfassen einen Deckelverriegelungsschalter und eine lichtundurchlässige Außenhülle.

13. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine UVC LED ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen über den Übergang injiziert und rekombinieren mit Löchern im aktiven Bereich. Bei einer UVC LED ist die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials (AlGaN) sehr groß (~4,5 Elektronenvolt). Bei der Rekombination wird diese Energie in Form eines Photons (Lichtteilchen) freigesetzt. Die Wellenlänge dieses Photons ist umgekehrt proportional zur Bandlückenenergie (λ = hc/Eg). Eine Bandlücke von ~4,5 eV entspricht einer Photonenwellenlänge von etwa 275 Nanometern, die im UVC-Bereich liegt. Dieses hochenergetische Licht wird von der DNA und RNA von Mikroorganismen absorbiert, verursacht Thymin-Dimere, die die Replikation verhindern und so den Krankheitserreger inaktivieren.

14. Technologietrends und Entwicklungen

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

Erhöhter Wall-Plug-Wirkungsgrad (WPE):Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der internen Quanteneffizienz (wie viele Elektronen Photonen erzeugen) und der Lichteinkopplungseffizienz (Herausführen von Photonen aus dem Chip), was direkt den Strahlungsfluss bei gegebener elektrischer Eingangsleistung erhöht und somit Systemleistung und thermische Belastung reduziert.

Längere Wellenlängen >280nm:Während ~275nm für die keimtötende Wirkung optimal ist, können LEDs, die bei etwas längeren Wellenlängen (z.B. 280-285nm) emittieren, eine höhere Ausgangsleistung und Effizienz bieten und dennoch eine signifikante Desinfektionsfähigkeit aufrechterhalten, was Entwicklern Kompromissoptionen eröffnet.

Verbesserte Lebensdauer und Zuverlässigkeit:Fortschritte im Chipdesign, bei Verkapselungsmaterialien (insbesondere UVC-stabilen Vergussmassen) und im thermischen Management erhöhen stetig die Betriebslebensdauer (L70, Zeit bis auf 70% des Anfangswerts) von UVC LEDs und machen sie so für Dauerbetriebsanwendungen tragfähiger.

Geringere Kosten:Mit steigenden Fertigungsvolumina und verbesserten Ausbeuten sinken die Kosten pro Milliwatt UVC-Leistung, was die Einführung der LED-Technologie in weiteren Marktsegmenten, von professionellen bis zu Konsumgütern, beschleunigt.