Техническая спецификация UVC светодиода LTPL-G35UV275PR - 3.5x3.5x1.2мм - 6.2В (тип.) - 37мВт - 275нм

1. Обзор продукта

Серия продуктов LTPL-G35UV представляет собой значительный прогресс в области твердотельных источников ультрафиолетового света. Данный продукт разработан специально для применений в стерилизации и медицине, предлагая высокопроизводительную альтернативу традиционным УФ-технологиям, таким как ртутные лампы. Используя технологию светоизлучающих диодов (LED), он сочетает исключительную энергоэффективность с надёжностью и длительным сроком службы, присущими полупроводниковым приборам. Это предоставляет разработчикам большую свободу для создания инновационных решений в системах обеззараживания, очистки воды и поверхностной стерилизации.

Ключевое преимущество заключается в способности обеспечивать эффективное УФС излучение (в диапазоне 270-280 нм) при более низких эксплуатационных и сервисных затратах. Устройство спроектировано для совместимости с системами управления на интегральных схемах (ИС) и соответствует экологическим стандартам (RoHS, бессвинцовое исполнение). Основные целевые рынки включают производителей медицинского оборудования, интеграторов систем очистки воды и воздуха, а также разработчиков бытовых или промышленных стерилизационных устройств.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Переход от традиционных УФ-источников к УФС светодиодам предлагает несколько явных преимуществ. Во-первых, мгновенное включение и отсутствие времени разогрева повышают отзывчивость системы. Во-вторых, компактный форм-фактор позволяет интегрировать их в более мелкие и портативные устройства. Направленный характер излучения светодиода позволяет реализовать более эффективную оптическую схему, фокусируя энергию именно там, где это наиболее необходимо. Кроме того, отсутствие ртути устраняет экологические проблемы и риски для безопасности, связанные с утилизацией и повреждением.

Основное целевое применение — бактерицидное облучение, при котором УФС свет с длиной волны около 275 нм высокоэффективно разрушает ДНК и РНК микроорганизмов, включая бактерии, вирусы и плесень, делая их неактивными. Это делает светодиод подходящим для таких применений, как поверхностная дезинфекция в медицинских учреждениях, обработка воды в системах локального использования и очистка воздуха в системах вентиляции и кондиционирования.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Устройство предназначено для работы в жёстких условиях. Предельно допустимые режимы определяют границы, превышение которых может привести к необратимому повреждению. Ключевые параметры включают максимальную рассеиваемую мощность (P_O) 2.1 Вт и максимальный постоянный прямой ток (I_F) 300 мА. Диапазон рабочих температур (T_opr) указан от -40°C до +80°C, что свидетельствует о пригодности как для суровых промышленных, так и для контролируемых медицинских сред. Диапазон температур хранения (T_stg) составляет от -40°C до +100°C. Критическим параметром является максимальная температура перехода (T_j) 115°C. Превышение этой температуры ускорит деградацию и значительно сократит срок службы устройства. В спецификации явно указано, что не следует длительно эксплуатировать светодиод в условиях обратного смещения, так как это может привести к мгновенному выходу из строя.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти характеристики измеряются при стандартных условиях испытаний: температура окружающей среды 25°C (T_a) и описывают ожидаемую производительность при нормальной работе.

• Прямое напряжение (V_F):При токе накачки 250 мА типичное прямое напряжение составляет 6.2 В, максимальное — 7.0 В, минимальное — 5.0 В. Допуск измерения ±0.1 В. Этот параметр имеет решающее значение для проектирования схемы драйвера светодиода, так как определяет требуемое напряжение питания и рассеиваемую мощность.
• Световой поток (Φ_e):Это общая оптическая мощность в спектре УФС. При токе 250 мА типичный световой поток составляет 37.0 мВт (мин. 29.0 мВт). При работе на максимальном номинальном токе 300 мА типичная выходная мощность увеличивается до 43.0 мВт. Допуск измерения ±10%. Световой поток является ключевым показателем для определения бактерицидной эффективности светодиода в конкретном применении.
• Пиковая длина волны (λ_P):Светодиод излучает УФС свет с пиковой длиной волны в диапазоне от 270 нм до 280 нм, с центром около 275 нм. Эта длина волны находится в оптимальном диапазоне для бактерицидной эффективности. Допуск измерения ±3 нм.
• Термическое сопротивление (R_{th j-s}):Типичное термическое сопротивление от полупроводникового перехода до точки пайки составляет 12.3 К/Вт. Это значение, измеренное на конкретной алюминиевой MCPCB, имеет жизненно важное значение для проектирования системы теплового управления. Более низкое термическое сопротивление позволяет эффективнее отводить тепло от перехода, помогая поддерживать более низкую T_j и обеспечивать долгосрочную надёжность.
• Угол обзора (2θ_1/2):Типичный угол обзора составляет 120 градусов. Такая широкая диаграмма направленности полезна для применений, требующих покрытия большой площади, но может потребовать использования отражателей или линз для фокусированных применений.
• Электростатический разряд (ESD):Устройство соответствует минимальному напряжению стойкости к электростатическому разряду 2000 В согласно стандарту JESD22-A114-B (модель человеческого тела). Во время сборки и установки необходимо соблюдать соответствующие процедуры обращения с ESD.

3. Объяснение системы бинов

Для обеспечения стабильных характеристик светодиоды сортируются по бинам на основе ключевых параметров, измеренных во время производства. Код бина указан на упаковке.

3.1 Сортировка по прямому напряжению (V_F)

Светодиоды классифицируются на четыре вольтажных бина (V1–V4) при токе 250 мА:

• V1: 5.0 В – 5.5 В
• V2: 5.5 В – 6.0 В
• V3: 6.0 В – 6.5 В
• V4: 6.5 В – 7.0 В

Допуск внутри каждого бина составляет ±0.1 В. Такая сортировка позволяет разработчикам выбирать светодиоды с более точным совпадением напряжения для применений с последовательным включением, обеспечивая более равномерное распределение тока.

3.2 Сортировка по световому потоку (Φ_e)

Выходная мощность сортируется на четыре бина по потоку (X1–X4) при токе 250 мА:

• X1: 29.0 мВт – 34.0 мВт
• X2: 34.0 мВт – 39.0 мВт
• X3: 39.0 мВт – 44.0 мВт
• X4: 44.0 мВт и выше

Допуск ±10%. Выбор бина с более высоким потоком обеспечивает большую оптическую мощность, что может привести к сокращению времени дезинфекции или позволит использовать меньше светодиодов в массиве.

3.3 Сортировка по пиковой длине волны (λ_P)

Для данного продукта все устройства попадают в один волновой бин W1, охватывающий диапазон от 270 нм до 280 нм с допуском ±3 нм. Это обеспечивает стабильную бактерицидную эффективность для всех единиц продукции, поскольку скорость инактивации микроорганизмов сильно зависит от длины волны.

4. Анализ характеристических кривых

Представленные графики дают представление о поведении светодиода в различных условиях.

4.1 Относительное спектральное распределение

Эта кривая показывает интенсивность излучения в ультрафиолетовом спектре. Она подтверждает узкую полосу излучения с центром на 275 нм, что идеально для максимизации бактерицидного эффекта при минимизации излучения на менее эффективных или потенциально вредных длинах волн.

4.2 Относительный световой поток в зависимости от прямого тока

Этот график иллюстрирует сублинейную зависимость между током накачки и оптической мощностью. Хотя увеличение тока повышает выходную мощность, эффективность (световой поток на единицу электрической мощности), как правило, снижается при более высоких токах из-за усиления тепловых эффектов и "провала" эффективности. Это подчёркивает важность оптимизации тока накачки для достижения желаемого баланса между выходной мощностью, эффективностью и сроком службы.

4.3 Прямое напряжение в зависимости от прямого тока и температуры перехода

Прямое напряжение имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть уменьшается с ростом температуры перехода. Эта особенность должна учитываться в конструкциях драйверов постоянного тока, поскольку более низкое V_F при высокой температуре может незначительно снизить рассеиваемую электрическую мощность.

4.4 Относительный световой поток в зависимости от температуры перехода

Это одна из наиболее критичных кривых. Выходная мощность УФС светодиода сильно зависит от температуры перехода. График показывает значительное снижение светового потока по мере увеличения T_j. Эффективное тепловое управление для поддержания перехода как можно более холодным имеет первостепенное значение для сохранения высокой выходной мощности и достижения номинального срока службы.

4.5 Кривая снижения номинального прямого тока

Эта кривая определяет максимально допустимый прямой ток как функцию температуры окружающей среды. При повышении температуры окружающей среды максимально допустимый ток должен быть уменьшен, чтобы предотвратить превышение температурой перехода её предела в 115°C. Этот график необходим для проектирования систем, которые надёжно работают в указанном диапазоне температур.

5. Механическая информация и данные о корпусе

5.1 Габаритные размеры

Корпус светодиода имеет компактные размеры примерно 3.5 мм x 3.5 мм при высоте около 1.2 мм. Все размеры имеют допуск ±0.2 мм, если не указано иное. Механический чертёж определяет точное расположение светодиодного кристалла, контактных площадок для пайки и любой оптической линзовой структуры.

5.2 Рекомендуемая контактная площадка на печатной плате

Предоставлен детальный проект посадочного места для поверхностного монтажа. Соблюдение этой рекомендуемой контактной площадки критически важно для получения надёжных паяных соединений, правильной теплопроводности к плате и точного позиционирования. Допуск спецификации для размеров площадки составляет ±0.1 мм. Конструкция, как правило, включает тепловые переходные отверстия под тепловой площадкой для отвода тепла в заземляющий слой платы или выделенный слой радиатора.

6. Рекомендации по пайке и сборке

6.1 Профиль оплавления припоя

Указан детальный профиль бессвинцового оплавления для предотвращения повреждений в процессе сборки по технологии поверхностного монтажа (SMT). Ключевые параметры включают:

• Предварительный нагрев: 150-200°C в течение 60-120 секунд.
• Время выше температуры ликвидуса (217°C): 60-150 секунд.
• Пиковая температура: рекомендуется 245°C, максимум 260°C.
• Время в пределах 5°C от пика: 10-30 секунд.
• Максимальная скорость нагрева: 3°C/секунду.
• Максимальная скорость охлаждения: 6°C/секунду.

Температуры относятся к верхней части корпуса. Быстрый процесс охлаждения не рекомендуется. Светодиод может выдержать максимум три цикла оплавления.

6.2 Ручная пайка и очистка

Если необходима ручная пайка, температура жала паяльника не должна превышать 300°C, а время контакта должно быть ограничено максимум 2 секундами на одну площадку, и выполнять пайку следует только один раз. Для очистки следует использовать только спиртосодержащие растворители, такие как изопропиловый спирт. Неуказанные химические очистители могут повредить силиконовую линзу или материал корпуса.

7. Упаковка и информация для заказа

7.1 Спецификации на ленте и катушке

Светодиоды поставляются на эмбоссированной несущей ленте и катушках для автоматизированной сборки методом "pick-and-place". Размеры ленты (размер гнезда, шаг) и катушки (диаметр ступицы, диаметр фланца) соответствуют стандартам EIA-481-1-B. Катушка диаметром 7 дюймов может вмещать максимум 500 штук. Минимальное количество упаковки для остаточных партий составляет 100 штук. Лента запечатана покровной лентой для защиты компонентов.

8. Рекомендации по применению и соображения по проектированию

8.1 Тепловое управление

Это самый важный фактор проектирования. Высокая чувствительность выходной мощности к температуре перехода требует эффективной стратегии теплоотвода. Используйте печатную плату на металлической основе (MCPCB) или стандартную плату FR4 с обширной медной заливкой и тепловыми переходными отверстиями, подключёнными к внешнему радиатору. Цель — минимизировать термическое сопротивление от перехода светодиода до окружающей среды (R_{th j-a}). Всегда обращайтесь к кривой снижения номинального прямого тока при проектировании для высоких температур окружающей среды.

8.2 Электрическое управление

Для стабильной работы обязателен драйвер постоянного тока. Драйвер должен быть выбран для обеспечения желаемого тока (например, 250 мА или 300 мА) с учётом диапазона прямого напряжения выбранного бина. Рассмотрите возможность реализации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для регулировки яркости или работы с рабочим циклом, что может помочь управлять тепловой нагрузкой. Убедитесь, что драйвер защищён от обратной полярности и скачков напряжения.

8.3 Оптические и материальные соображения

УФС излучение с длиной волны 275 нм обладает высокой энергией и может разрушать многие распространённые материалы, включая некоторые пластмассы, эпоксидные смолы и клеи. Убедитесь, что все материалы на оптическом пути и вблизи светодиода (линзы, отражатели, прокладки, изоляция проводов) рассчитаны на длительное воздействие УФС. Для защитных окон обычно используется кварцевое стекло. Избегайте прямого воздействия излучения светодиода на кожу и глаза.

9. Надёжность и срок службы

В спецификации изложен комплексный план испытаний на надёжность, включая испытания на срок службы при комнатной температуре (RTOL), срок службы при хранении при высокой/низкой температуре (HTSL/LTSL), испытания во влажном тепле и тепловой удар. Эти испытания моделируют годы работы в различных стрессовых условиях. Критерием отказа считается сдвиг прямого напряжения более чем на 10% или падение светового потока ниже 50% от начального значения. Правильное тепловое проектирование и электрическая работа в пределах указанных ограничений необходимы для достижения прогнозируемого срока службы в полевых условиях.

10. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с традиционными низкого давления ртутными лампами (излучающими на 254 нм), данный УФС светодиод предлагает несколько преимуществ: мгновенное включение/выключение, компактный размер, направленное излучение, прочность (нет хрупкого стекла, нет ртути) и возможность настройки длины волны. По сравнению с другими УФС светодиодами, ключевыми отличительными особенностями данной конкретной модели являются сочетание длины волны 275 нм, типичной выходной мощности 37 мВт при 250 мА и формата корпуса 3.5x3.5 мм. Широкий угол обзора 120 градусов может быть как преимуществом, так и недостатком в зависимости от требований оптической схемы конкретного применения.

11. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: В чём разница между световым потоком (мВт) и бактерицидной эффективностью?

О: Световой поток — это общая оптическая мощность УФС излучения. Бактерицидная эффективность зависит от этой мощности, спектра излучения (пиковой длины волны), расстояния до цели, времени экспозиции и восприимчивости конкретного микроорганизма. Длина волны 275 нм очень эффективна против широкого спектра патогенов.

В: Могу ли я питать этот светодиод от источника постоянного напряжения?

О: Нет. Светодиоды — это приборы с токовым управлением. Источник постоянного напряжения не будет регулировать ток, что приведёт к тепловому разгону и быстрому выходу из строя. Всегда используйте драйвер постоянного тока.

В: Как рассчитать необходимый радиатор?

О: Вам необходимо определить полный путь термического сопротивления. Начните с сопротивления переход-точка пайки (R_{th j-s}= 12.3 К/Вт). Добавьте термическое сопротивление вашего теплового интерфейсного материала, печатной платы и внешнего радиатора. Используя формулу T_j= T_a+ (P_diss* R_{th j-a}), убедитесь, что T_jостаётся ниже 115°C при вашей максимальной температуре окружающей среды и мощности накачки (P_diss≈ I_F* V_F).

В: Почему выходная мощность так чувствительна к температуре?

О: Это фундаментальная характеристика полупроводниковых источников света, особенно в ультрафиолетовом диапазоне. Повышение температуры увеличивает безызлучательную рекомбинацию в полупроводниковом материале, снижая внутреннюю квантовую эффективность и, следовательно, световой выход.

12. Практический пример проектирования и использования

Пример: Проектирование портативной палочки для стерилизации поверхностей.

Разработчик хочет создать ручную палочку для дезинфекции поверхностей, таких как столешницы, клавиатуры и телефоны. Он выбирает светодиод LTPL-G35UV275PR за его компактный размер и излучение на 275 нм. Планируется использовать массив из 4 светодиодов для увеличения площади покрытия. Каждый светодиод будет работать при токе 250 мА (тип. V_F=6.2 В, P_diss=1.55 Вт). Общая мощность системы составляет ~6.2 Вт. В корпус палочки интегрирован лёгкий алюминиевый радиатор с рёбрами для рассеивания ~6 Вт тепла. Разработан драйвер постоянного тока, питаемый от перезаряжаемого литий-ионного аккумулятора. Предусмотрена блокировка безопасности, гарантирующая активацию светодиодов только при правильном расстоянии палочки от поверхности. Оптическая схема использует собственную диаграмму направленности 120 градусов для создания широкого пятна стерилизации. Разработчик выбирает светодиоды из бина потока X2 (34-39 мВт) для стабильной работы и использует ШИМ для управления временем экспозиции (например, циклы по 10 секунд).

13. Введение в принцип работы

УФС светодиоды основаны на полупроводниковых материалах, обычно нитриде алюминия-галлия (AlGaN). При приложении прямого напряжения электроны и дырки рекомбинируют в активной области полупроводника, высвобождая энергию в виде фотонов. Длина волны этих фотонов определяется шириной запрещённой зоны полупроводникового материала. Путем тщательного контроля содержания алюминия в слоях AlGaN ширину запрещённой зоны можно настроить для излучения света в диапазоне УФС (200-280 нм). Излучение на 275 нм достигается за счёт точных процессов эпитаксиального роста. Генерируемые УФС фотоны обладают высокой энергией и могут разрывать молекулярные связи, что наиболее критично для ДНК/РНК микроорганизмов, предотвращая их репликацию.

14. Тенденции развития

Область УФС светодиодов быстро развивается. Ключевые тенденции включают:

• Повышение эффективности (WPE):Текущие исследования направлены на улучшение эффективности преобразования электрической мощности в оптическую, что напрямую снижает тепловыделение и требования к мощности системы.
• Более высокая выходная мощность:Разработка светодиодов с более высоким световым потоком от одного излучателя или в более компактном корпусе, что позволяет создавать более компактные и мощные системы дезинфекции.
• Увеличение срока службы (L70/B50):Улучшения в материалах, корпусировании и тепловом управлении увеличивают срок службы, делая светодиоды более конкурентоспособными по сравнению с традиционными лампами для применений с высоким рабочим циклом.
• Снижение стоимости:По мере роста объёмов производства и совершенствования процессов стоимость за милливатт УФС излучения steadily снижается, расширяя спектр возможных применений.
• Оптимизация длины волны:Продолжаются исследования оптимальной длины волны для конкретных патогенов и применений, что потенциально приведёт к созданию специализированных светодиодов для здравоохранения, очистки воды и воздуха.

Переход к твердотельным УФС источникам является явной долгосрочной тенденцией, обусловленной их inherent преимуществами в форм-факторе, безопасности и управляемости.