LTPL-G35UVC275PR UVC LED Datenblatt - Abmessungen 3,5x3,5x1,2mm - Spannung 5,9V typ. - Leistung 2,0W max. - 274nm Spitzenwellenlänge - Deutsche Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die LTPL-G35UVC-Produktreihe stellt einen bedeutenden Fortschritt bei Festkörper-Ultraviolettlichtquellen dar, die für Sterilisations- und medizinische Anwendungen konzipiert sind. Dieses Produkt vereint die inhärenten Vorteile der Leuchtdioden (LED)-Technologie, wie eine lange Betriebsdauer und hohe Zuverlässigkeit, mit Leistungsniveaus, die geeignet sind, konventionelle UV-Lichtquellen zu ersetzen. Es ist entwickelt, um Designflexibilität zu bieten und neue Anwendungen in Bereichen zu ermöglichen, die eine effektive UVC-Bestrahlung erfordern.

Zu den Hauptmerkmalen dieses Produkts gehören die Kompatibilität mit integrierten Schaltkreis (I.C.)-Ansteuersystemen, die Einhaltung der RoHS (Beschränkung gefährlicher Stoffe)-Richtlinien, die sicherstellt, dass es bleifrei ist, sowie insgesamt niedrigere Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zu traditionellen UV-Technologien wie Quecksilberlampen. Der primäre Zielmarkt umfasst Gerätehersteller in den Bereichen Medizintechnik, Wasseraufbereitung, Luftsterilisation und Oberflächendesinfektion.

2. Tiefgehende Interpretation der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für den Betrieb unter strengen Umgebungs- und elektrischen Grenzwerten spezifiziert, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die absoluten Maximalwerte, gemessen bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C, definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden auftreten können.

• Verlustleistung (Po):Maximal 2,0 Watt. Dies ist die Gesamtleistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann.
• DC-Durchlassstrom (IF):Maximal 300 Milliampere.
• Betriebstemperaturbereich (Topr):-40°C bis +80°C. Das Bauteil ist für den Betrieb innerhalb dieses breiten Temperaturfensters ausgelegt.
• Lagertemperaturbereich (Tstg):-40°C bis +100°C.
• Sperrschichttemperatur (Tj):Maximal 105°C. Die Temperatur am Halbleiterchip selbst darf diesen Grenzwert nicht überschreiten.

Ein kritischer Hinweis warnt davor, die LED über längere Zeit unter Sperrspannungsbedingungen zu betreiben, da dies zu einem Bauteilausfall führen kann.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Die Kernleistungskennwerte sind bei Ta=25°C und einem Prüfstrom (If) von 250mA definiert, was als typischer Arbeitspunkt angesehen wird.

• Durchlassspannung (Vf):Der typische Wert beträgt 5,9V, mit einem Minimum von 5,2V und einem Maximum von 7,7V. Die Messtoleranz beträgt ±0,1V.
• Strahlungsfluss (Φe):Dies ist die gesamte optische Ausgangsleistung im UVC-Spektrum. Der typische Wert beträgt 35,0 Milliwatt (mW), mit einem Minimum von 25,0 mW. Die Messtoleranz beträgt ±10%.
• Spitzenwellenlänge (λp):Die Wellenlänge, bei der die LED die meiste optische Leistung emittiert. Der typische Wert beträgt 274 Nanometer (nm), innerhalb eines Bereichs von 265nm bis 280nm. Die Toleranz beträgt ±3nm. Dies platziert sie fest im UVC-Band (200-280nm), das für seine keimtötende Wirksamkeit bekannt ist.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):Typischerweise 120 Grad, definiert die Winkelverteilung der emittierten Strahlung.
• Wärmewiderstand (Rth j-s):Der Wärmewiderstand von der Halbleitersperrschicht zum Lötpunkt beträgt typischerweise 16,8 K/W. Dieser Parameter ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design. Die Referenzmessung verwendet eine spezifische Aluminium-Metallkern-Leiterplatte (MCPCB).
• Elektrostatische Entladungs (ESD)-Empfindlichkeit:Hält bis zu 2000V gemäß dem Human Body Model (JESD22-A114-B) stand, was auf eine moderate ESD-Robustheit hinweist, aber dennoch einen sorgfältigen Umgang erfordert.

3. Erklärung des Binning-Systems

Um Konsistenz im Anwendungsdesign zu gewährleisten, werden die LEDs basierend auf Schlüsselparametern in Bins sortiert. Der Bin-Code ist auf der Verpackung markiert.

3.1 Binning der Durchlassspannung (Vf)

LEDs werden basierend auf ihrer Durchlassspannung bei 250mA in fünf Bins (V1 bis V5) kategorisiert. Jedes Bin deckt einen 0,5V-Bereich ab, von 5,2-5,7V (V1) bis zu 7,2-7,7V (V5). Die Toleranz innerhalb jedes Bins beträgt ±0,1V. Dies ermöglicht es Designern, LEDs mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften für Parallelschaltungen oder Stromverteilungsschaltungen auszuwählen.

3.2 Binning des Strahlungsflusses (Φe)

Die optische Ausgangsleistung wird in vier Kategorien (X1 bis X4) eingeteilt. Das X2-Bin umfasst beispielsweise LEDs mit einem Strahlungsfluss zwischen 30,0 mW und 35,0 mW bei 250mA. Das X4-Bin spezifiziert ein Minimum von 40,0 mW. Die Toleranz beträgt ±7%. Dieses Binning ist für Anwendungen, die eine spezifische minimale Bestrahlungsdosis erfordern, unerlässlich.

3.3 Binning der Spitzenwellenlänge (Wp)

Derzeit fallen alle Bauteile in ein einziges Wellenlängen-Bin, W1, das von 265nm bis 280nm reicht. Die Toleranz beträgt ±3nm. Dies stellt sicher, dass alle Bauteile innerhalb des effektiven keimtötenden Bereichs emittieren.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen veranschaulichen. Alle Kurven basieren auf einer Umgebungstemperatur von 25°C, sofern nicht anders angegeben.

4.1 Relativer Strahlungsfluss vs. Durchlassstrom

Diese Kurve zeigt, dass die optische Ausgangsleistung mit dem Treiberstrom zunimmt, aber nicht perfekt linear ist. Sie demonstriert die Beziehung zwischen elektrischem Eingang und optischem Ausgang und hilft, den optimalen Arbeitspunkt für Effizienz und Ausgangsleistung zu bestimmen.

4.2 Relative spektrale Verteilung

Dieses Diagramm zeigt das Emissionsspektrum und stellt die Lichtintensität über verschiedene Wellenlängen dar. Es bestätigt die Spitzenemission um 274nm und die spektrale Bandbreite, was wichtig ist, um die Wirksamkeit der LED gegen spezifische Mikroorganismen zu verstehen.

4.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kurve)

Die grundlegende elektrische Kennlinie einer Diode. Diese Kurve ist für den Entwurf der Stromtreiberschaltung essenziell, da sie die Spannung zeigt, die benötigt wird, um einen gewünschten Strom zu erreichen.

4.4 Relativer Strahlungsfluss vs. Sperrschichttemperatur

Diese kritische Kurve zeigt, wie die optische Ausgangsleistung mit steigender Sperrschichttemperatur (Tj) abnimmt. Effektives Wärmemanagement ist von größter Bedeutung, um die hohe Ausgangsleistung über die Lebensdauer der LED aufrechtzuerhalten.

4.5 Strahlungscharakteristik (räumliche Verteilung)

Ein Polardiagramm, das die Winkelintensitätsverteilung veranschaulicht und den 120-Grad-Abstrahlwinkel bestätigt. Dies ist für das optische Systemdesign entscheidend, um eine gleichmäßige Bestrahlung einer Zielfläche sicherzustellen.

4.6 Derating-Kurve für den Durchlassstrom

Dieses Diagramm definiert 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 105°C überschreitet.

4.7 Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur

Zeigt die Beziehung zwischen Durchlassspannung und der Temperatur der Halbleitersperrschicht, die für indirekte Temperaturüberwachung oder zum Verständnis des temperaturabhängigen Verhaltens genutzt werden kann.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Umrissabmessungen

Das LED-Gehäuse hat einen quadratischen Grundriss. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit einer Standardtoleranz von ±0,2mm, sofern nicht anders vermerkt. Die physikalische Größe ist ein Schlüsselfaktor für das PCB-Layout und die Integration in Endprodukte.

5.2 Empfohlene PCB-Lötfläche

Ein detailliertes Land Pattern Diagramm für die Leiterplatte (PCB) wird bereitgestellt. Die Einhaltung dieser empfohlenen Pad-Abmessungen und -Abstände ist entscheidend für zuverlässige Lötstellen, ordnungsgemäßen Wärmetransfer und mechanische Stabilität. Die Spezifikationstoleranz für das Pad beträgt ±0,1mm.

5.3 Polaritätskennzeichnung

Das Datenblatt enthält Markierungen oder Diagramme, die die Anoden- und Kathodenanschlüsse anzeigen. Während der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden, um Schäden zu vermeiden.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Vorgeschlagenes Reflow-Lötprofil

Ein detailliertes Reflow-Profil für die bleifreie Lötmontage ist spezifiziert. Schlüsselparameter umfassen:

• Spitzentemperatur (Tp): Maximal 260°C (empfohlen 245°C).
• Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (217°C): 60-150 Sekunden.
• Vorwärmtemperatur: 150-200°C für 60-120 Sekunden.
• Maximale Aufheiz- und Abkühlraten sind definiert, um thermische Belastung zu minimieren.

Die Gesamtzeit von 25°C bis zur Spitzentemperatur sollte 8 Minuten nicht überschreiten. Das Reflow-Löten sollte maximal dreimal durchgeführt werden.

6.2 Handlöten

Falls Handlöten notwendig ist, sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit auf maximal 2 Sekunden begrenzt sein, und zwar nur für einen Lötvorgang.

6.3 Reinigung

Falls nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Nicht spezifizierte chemische Reiniger können das LED-Gehäuse beschädigen.

6.4 Ansteuerungsmethode

Die LED ist ein strombetriebenes Bauteil. Um eine gleichmäßige Lichtausgabe beim Verbinden mehrerer LEDs zu gewährleisten, sollten sie in einer Reihenschaltung oder mit individuellen Stromreglern für jeden parallelen Zweig betrieben werden. Konstantstromtreiber werden gegenüber Konstantspannungsquellen dringend empfohlen.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Tape-and-Reel-Verpackung

Die LEDs werden in geprägter Trägerbahn auf Rollen für die automatisierte Montage geliefert. Wichtige Verpackungsspezifikationen umfassen:

• Rollenmaß: 7 Zoll.
• Maximale Stückzahl pro Rolle: 500 Stück.
• Mindestpackmenge: 100 Stück für Restposten.
• Die Bahn ist mit einer Deckfolie versiegelt.
• Die Verpackung entspricht den EIA-481-1-B Standards.

Detaillierte Abmessungen sowohl für die Bahntaschen als auch für die Rolle sind im Datenblatt angegeben.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Oberflächendesinfektion:Integration in Geräte zur Desinfektion von Mobiltelefonen, Werkzeugen oder Arbeitsplatten.
• Wasseraufbereitung:Verwendung in Wasseraufbereitungssystemen am Punkt der Entnahme oder am Hausanschluss, um Bakterien und Viren zu inaktivieren.
• Luftsterilisation:Implementierung in HLK-Systemen, Luftreinigern oder Deckenraum-Luftdesinfektionsvorrichtungen.
• Sterilisation von Medizingeräten:Zur Desinfektion der Innenkammern von Geräten oder Werkzeugen.

8.2 Designüberlegungen

• Wärmemanagement:Aufgrund des typischen Wärmewiderstands von 16,8 K/W ist ein richtig dimensionierter Kühlkörper (unter Verwendung einer MCPCB als Referenz) unerlässlich, um die Sperrschichttemperatur innerhalb der Grenzwerte zu halten und die langfristige Strahlungsflussleistung sicherzustellen.
• Optisches Design:Der 120-Grad-Abstrahlwinkel kann Reflektoren oder Linsen erfordern, um das UVC-Licht effizient auf den Zielbereich zu kollimieren oder zu lenken.
• Elektrisches Design:Verwenden Sie einen Konstantstromtreiber, der für den Durchlassspannungsbereich (5,2V-7,7V) geeignet ist und bis zu 300mA liefern kann. Berücksichtigen Sie das Binning für Multi-LED-Designs.
• Materialkompatibilität:Stellen Sie sicher, dass Gehäusematerialien, die der UVC-Strahlung ausgesetzt sind, beständig gegen Abbau sind (z.B. können bestimmte Kunststoffe vergilben oder spröde werden).
• Sicherheit:UVC-Strahlung ist schädlich für Augen und Haut. Designs müssen geeignete Abschirmungen, Verriegelungen und Warnhinweise enthalten, um eine menschliche Exposition zu verhindern.

9. Zuverlässigkeit und Prüfung

9.1 Zuverlässigkeitsprüfplan

Das Produkt durchläuft eine umfassende Reihe von Zuverlässigkeitstests, um Robustheit unter verschiedenen Belastungsbedingungen sicherzustellen. Wichtige Tests umfassen:

• Betriebslebensdauer bei Raumtemperatur (RTOL):3.000 Stunden bei 250mA und 1.000 Stunden beim maximalen Strom von 300mA.
• Hoch-/Tieftemperatur-Lagerlebensdauer (HTSL/LTSL):1.000 Stunden bei 100°C bzw. -40°C.
• Feuchte Hochtemperaturlagerung (WHTSL):1.000 Stunden bei 60°C und 90% relativer Luftfeuchtigkeit.
• Thermoschock (TS):100 Zyklen zwischen -30°C und 85°C.

Alle Betriebslebensdauertests werden mit der LED auf einem spezifizierten Metallkühlkörper montiert durchgeführt.

9.2 Ausfallkriterien

Ein Bauteil gilt als ausgefallen, wenn nach dem Test seine Durchlassspannung um mehr als 10% vom Ausgangswert ansteigt oder sein Strahlungsfluss unter 50% der Ausgangsmessung fällt, beides gemessen bei 250mA.

10. Technischer Vergleich und Vorteile

Im Vergleich zu traditionellen keimtötenden Lampen (z.B. Niederdruck-Quecksilberlampen mit 254nm Emission) bietet diese UVC LED mehrere deutliche Vorteile:

• Sofortiges Ein-/Ausschalten:LEDs erreichen sofort volle Ausgangsleistung, im Gegensatz zu Lampen, die eine Aufwärmzeit benötigen.
• Kompakte Größe und Designfreiheit:Die kleine Bauform ermöglicht die Integration in tragbare und räumlich eingeschränkte Geräte.
• Haltbarkeit und Lebensdauer:Die Festkörperbauweise macht sie widerstandsfähiger gegen Vibration und physischen Stoß. Während Lebensdauerdaten über Zuverlässigkeitstests bereitgestellt werden, bieten LEDs bei ordnungsgemäßer Kühlung im Allgemeinen eine längere Betriebsdauer als konventionelle Lampen.
• Quecksilberfrei:Enthält kein gefährliches Quecksilber, was die Entsorgung vereinfacht und die Umweltsicherheit verbessert.
• Wellenlängenflexibilität:Die 274nm Spitzenwellenlänge kann gegen ein breites Spektrum von Krankheitserregern wirksam sein. Das schmale Spektrum ermöglicht gezielte Anwendungen ohne unnötige Strahlung.
• Geringere Betriebskosten:Höhere Effizienz und längere Lebensdauer tragen im Laufe der Zeit zu reduzierten Energie- und Austauschkosten bei.

11. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der typische Betriebsstrom für diese LED?

A: Die elektro-optischen Eigenschaften sind bei 250mA spezifiziert, was ein üblicher Arbeitspunkt ist. Der absolute Maximalstrom beträgt 300mA.

F: Wie stelle ich sicher, dass mehrere LEDs die gleiche Helligkeit haben?

A: Nutzen Sie die Binning-Informationen. Wählen Sie LEDs aus demselben Strahlungsfluss (Φe)-Bin (z.B. X2) und betreiben Sie sie mit identischem Strom, vorzugsweise in einer Reihenschaltung oder mit individueller Stromregelung für parallele Stränge.

F: Warum ist das Wärmemanagement für diese LED so wichtig?

A: Wie in der Kurve \"Relativer Strahlungsfluss vs. Sperrschichttemperatur\" gezeigt, nimmt die optische Ausgangsleistung mit steigender Temperatur signifikant ab. Das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur (105°C) kann auch zu beschleunigtem Abbau und vorzeitigem Ausfall führen. Eine ordnungsgemäße Kühlung ist für Leistung und Zuverlässigkeit unabdingbar.

F: Kann ich diese LED mit einer Konstantspannungsquelle betreiben?

A: Es wird nicht empfohlen. LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Eine kleine Änderung der Durchlassspannung (wie im Vf-Binning zu sehen) kann aufgrund der exponentiellen I-V-Kennlinie der Diode eine große Stromänderung verursachen, was zu inkonsistenter Ausgangsleistung und potenziellen Überstromschäden führt. Verwenden Sie immer einen Konstantstromtreiber.

F: Welche Materialien sind sicher in der Nähe des LED-Ausgangsfensters zu verwenden?

A: UVC-Strahlung zersetzt viele organische Materialien. Verwenden Sie UVC-beständige Materialien wie bestimmte Quarzglassorten, PTFE (Teflon) oder spezielle UVC-stabile Kunststoffe für Linsen, Fenster und Gehäusekomponenten im Lichtweg.

12. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf einer tragbaren Wassersterilisationsflasche.

Ein Designer entwickelt eine wiederverwendbare Wasserflasche mit integrierter UVC-Sterilisation. Die LTPL-G35UVC275PR wird aufgrund ihrer kompakten Größe und 274nm-Ausgangsleistung ausgewählt.

Umsetzung:

1. Elektrisches Design:Ein kleiner, wiederaufladbarer Lithium-Akku speist einen Aufwärtswandler/Konstantstromtreiber, der auf 250mA eingestellt ist, um eine einzelne LED in Reihe mit dem Treiber zu betreiben.

2. Thermisches Design:Die LED ist auf einer kleinen, kundenspezifischen Aluminium-MCPCB montiert, die thermisch mit der inneren Metallwand der Flaschenkammer verbunden ist und diese als passiven Kühlkörper nutzt.

3. Optisches Design:Der 120-Grad-Strahl der LED wird verwendet, um das Wasservolumen direkt zu bestrahlen. Eine reflektierende Beschichtung an den Kammerwänden verbessert die Gleichmäßigkeit.

4. Sicherheitsdesign:Die Schaltung enthält einen Timer, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Dosis (z.B. 60 Sekunden) abgegeben wird. Eine mechanische Verriegelung verhindert die Aktivierung der LED, wenn der Flaschenverschluss nicht vollständig geschlossen ist, und die Kammer ist lichtundurchlässig, um UVC-Leckagen zu blockieren.

5. Bauteilauswahl:LEDs aus dem X2- oder X3-Strahlungsfluss-Bin werden ausgewählt, um eine minimale Strahlungsleistung zu garantieren, und der Treiber ist für den V1-V5-Spannungsbereich spezifiziert.

13. Funktionsprinzip

UVC-Leuchtdioden arbeiten nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in Halbleitermaterialien. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Wellenlänge dieser Photonen wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. Für UVC-Emission (200-280nm) werden Materialien wie Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) verwendet. Die spezifische Zusammensetzung der AlGaN-Schichten ist darauf ausgelegt, eine Spitzenemission bei 274nm zu erzeugen, was einer Photonenenergie von etwa 4,52 Elektronenvolt (eV) entspricht. Diese hochenergetische Ultraviolettstrahlung wird von der DNA und RNA von Mikroorganismen absorbiert, verursacht Thymin-Dimere, die die Replikation stören und zur Inaktivierung oder zum Absterben der Zelle führen, was den keimtötenden Effekt bewirkt.

14. Entwicklungstrends

Das Feld der UVC-LEDs entwickelt sich rasch. Wichtige Trends, die aus diesem Datenblatt und dem breiteren Markt ersichtlich sind, umfassen:

• Steigende Ausgangsleistung:Bauteile wie die LTPL-G35UVC275PR mit Ausgangsleistungen im Zehnermilliwattbereich repräsentieren Fortschritte gegenüber früheren, leistungsschwächeren Generationen. Die kontinuierliche Entwicklung zielt auf einen höheren Strahlungsfluss aus einem einzelnen Gehäuse ab.
• Verbesserte Effizienz (Wall-Plug Efficiency):Die Forschung konzentriert sich darauf, die Durchlassspannung zu reduzieren und die externe Quanteneffizienz (das Verhältnis von ausgehenden Photonen zu eingehenden Elektronen) zu erhöhen, um den Stromverbrauch und die thermische Belastung zu senken.
• Erhöhte Zuverlässigkeit und Lebensdauer:Laufende Materialwissenschaft und Verpackungsinnovation zielen darauf ab, die Betriebslebensdauer weiter zu verlängern und UVC-LEDs in Anwendungen mit hohem Tastgrad wettbewerbsfähiger gegenüber traditionellen Lampen zu machen.
• Kostensenkung:Mit steigenden Produktionsmengen und ausgereiften Prozessen wird erwartet, dass die Kosten pro Milliwatt UVC-Ausgangsleistung sinken, was neue Massenmarktanwendungen eröffnet.
• Wellenlängenoptimierung:Die Forschung zu den effektivsten Wellenlängen für die Inaktivierung spezifischer Krankheitserreger (z.B. Viren vs. Bakterien) und die Entwicklung von LEDs, die bei diesen optimalen Wellenlängen emittieren, wird fortgesetzt.

Diese Trends treiben die Einführung der Festkörper-UVC-Technologie in einem wachsenden Spektrum von Sterilisations- und Reinigungsanwendungen voran.