Техническая документация на UVC светодиод LTPL-G35UVC275GS - 3.5x3.5мм - 5.0-7.0В - Пиковая длина волны 275нм - Макс. мощность 0.7Вт

1. Обзор продукта

LTPL-G35UVC275GS — это высокопроизводительный ультрафиолетовый светодиод диапазона C (UVC), специально разработанный для применений в стерилизации и медицине. Данный продукт представляет собой значительный прогресс в технологии твердотельного освещения, предлагая надежную и энергоэффективную альтернативу традиционным УФ-источникам, таким как ртутные лампы. Устройство работает в бактерицидном диапазоне длин волн, обычно около 275 нанометров, что высокоэффективно для инактивации микроорганизмов, включая бактерии и вирусы.

Эта серия светодиодов сочетает в себе присущие технологии LED преимущества — такие как длительный срок службы, мгновенное включение/выключение и компактные размеры — со специфической оптической мощностью, необходимой для эффективной дезинфекции. Это обеспечивает большую свободу проектирования для инженеров, разрабатывающих оборудование для стерилизации, очистители воздуха, системы водоочистки и медицинские приборы. Заменяя старые УФ-технологии, он способствует созданию систем с более низкими эксплуатационными расходами, уменьшенными требованиями к обслуживанию и улучшенными экологическими показателями благодаря отсутствию ртути.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основные преимущества данного UVC светодиода включают его совместимость с системами управления на интегральных схемах (ИС), соответствие директиве RoHS (об ограничении использования опасных веществ) и бессвинцовую конструкцию. Эти особенности делают его пригодным для интеграции в современные электронные продукты со строгими нормативными и экологическими требованиями. Основными целевыми рынками являются здравоохранение, бытовая техника и промышленное оборудование, где критически важна эффективная и надежная дезинфекция поверхностей, воздуха или воды. Области применения варьируются от портативных стерилизаторов и систем вентиляции до специализированных очистителей медицинских инструментов.

2. Подробный анализ технических параметров

Рабочие характеристики LTPL-G35UVC275GS определяются комплексным набором электрических, оптических и тепловых параметров, измеренных в стандартных условиях (Ta=25°C). Понимание этих параметров крайне важно для правильного проектирования схемы и системы теплового управления, чтобы обеспечить надежность и достичь желаемого уровня излучаемой мощности.

2.1 Предельно допустимые параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальной работы. Максимальная рассеиваемая мощность (Po) составляет 0.7 Вт — это общая электрическая мощность, которая может быть преобразована в тепло и свет без повреждения светодиода. Максимальный постоянный прямой ток (IF) равен 100 миллиамперам (мА). Диапазон рабочих температур (Topr) устройства составляет от -40°C до +80°C, а диапазон температур хранения (Tstg) — от -40°C до +100°C. Максимально допустимая температура перехода (Tj) равна 90°C. Превышение температуры перехода является основной причиной выхода светодиода из строя и ускоренной деградации светового потока.

2.2 Электрооптические характеристики

Это типичные рабочие параметры при указанных условиях испытаний. Прямое напряжение (VF) варьируется от минимум 5.0В до максимум 7.0В при испытательном токе 60мА, с типичным значением 5.5В. Это относительно высокое напряжение характерно для UVC светодиодов из-за их полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной. Излучаемый поток (Φe), то есть общая оптическая мощность в спектре UVC, типично составляет 10.0 милливатт (мВт) при 60мА. При более низком токе 20мА он падает до 3.5 мВт, а при максимальном токе 100мА достигает 14.0 мВт. Пиковая длина волны (Wp) центрирована на 275нм с диапазоном от 265нм до 280нм, что прочно помещает её в наиболее эффективный бактерицидный диапазон (приблизительно 260нм-280нм). Угол обзора (2θ1/2) составляет широкие 120 градусов, обеспечивая широкое облучение. Тепловое сопротивление от перехода к точке пайки (Rth j-s) типично равно 38 К/Вт, что указывает на эффективность отвода тепла от полупроводникового кристалла к плате. Более низкое значение предпочтительнее для теплового управления.

3. Объяснение системы бинов (сортировки)

Для учета производственных вариаций светодиоды сортируются по рабочим характеристикам (бинаризация). Это позволяет разработчикам выбирать компоненты, соответствующие конкретным требованиям их приложения. LTPL-G35UVC275GS использует трехмерную систему бинирования.

3.1 Бинирование по прямому напряжению (VF)

Светодиоды классифицируются по четырем вольтажным бинам: V1 (5.0В - 5.5В), V2 (5.5В - 6.0В), V3 (6.0В - 6.5В) и V4 (6.5В - 7.0В), все измерено при IF=60мА. Выбор светодиодов из одного вольтажного бина обеспечивает равномерное распределение тока при параллельном включении нескольких устройств.

3.2 Бинирование по излучаемому потоку (Φe)

Оптическая мощность сортируется по четырем категориям: X1 (7.0 - 8.0 мВт), X2 (8.0 - 9.0 мВт), X3 (9.0 - 10.0 мВт) и X4 (10.0 мВт и выше), измерено при IF=60мА. Это позволяет прогнозировать эффективность дезинфекции и рассчитывать дозу облучения.

3.3 Бинирование по пиковой длине волны (Wp)

Все устройства попадают в один волновой бин, W1, который охватывает диапазон от 265нм до 280нм. Жесткий контроль вокруг 275нм обеспечивает оптимальную бактерицидную эффективность, так как способность УФ-излучения разрушать ДНК/РНК достигает пика в этой области.

4. Анализ рабочих характеристик (кривых)

В технической документации представлены несколько графиков, иллюстрирующих поведение устройства в различных условиях. Эти кривые необходимы для динамического моделирования и понимания компромиссов в характеристиках.

4.1 Относительное спектральное распределение

Эта кривая показывает интенсивность излучения в ультрафиолетовом спектре. Она подтверждает узкую полосу излучения, центрированную на пиковой длине волны, с минимальным излучением вне диапазона UVC, что важно для безопасности и эффективности.

4.2 Диаграмма направленности излучения

График характеристики излучения (часто полярная диаграмма) визуализирует угол обзора 120 градусов, показывая, как оптическая интенсивность уменьшается от центра (0 градусов) к краям (±60 градусов). Это важно для оптического проектирования с целью достижения равномерного облучения.

4.3 Относительный излучаемый поток в зависимости от прямого тока

Этот график демонстрирует, что излучаемая мощность увеличивается с ростом тока накачки, но не линейно. Она имеет тенденцию к насыщению при более высоких токах из-за увеличения тепловыделения и падения эффективности. Это подчеркивает важность работы светодиода на оптимальном токе для наилучшего баланса между выходной мощностью и долговечностью.

4.4 Прямое напряжение в зависимости от прямого тока

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) показывает экспоненциальную зависимость между напряжением и током, типичную для диода. Она используется для определения рабочей точки при проектировании схемы ограничения тока.

4.5 Кривые температурной зависимости

Графики, показывающие относительный излучаемый поток и прямое напряжение как функции температуры перехода, имеют критическое значение. Выходная мощность UVC светодиода обычно уменьшается с ростом температуры. Прямое напряжение уменьшается с повышением температуры. Эти зависимости необходимо учитывать при проектировании устройств, работающих в нестандартных условиях или с недостаточным теплоотводом.

4.6 Кривая снижения номинального прямого тока

Это один из самых важных графиков для обеспечения надежности. Он показывает максимально допустимый прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды. С ростом температуры максимально безопасный ток уменьшается, чтобы предотвратить превышение температурой перехода предела в 90°C. Эта кривая обязательна для определения требований к радиатору.

5. Механическая информация и данные о корпусе

Светодиод поставляется в корпусе для поверхностного монтажа (SMD) размерами приблизительно 3.5мм x 3.5мм. Чертеж контура предоставляет точные размеры для проектирования посадочного места. Корпус имеет четкую маркировку полярности (обычно индикатор катода) для предотвращения неправильной установки при сборке. Предоставлена рекомендуемая разводка контактных площадок на печатной плате (PCB) для обеспечения правильной пайки и теплового контакта. Конструкция контактных площадок крайне важна для передачи тепла от тепловой площадки светодиода (точки пайки) к медным слоям платы, которые выступают в качестве основного теплоотвода.

6. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение и пайка жизненно важны для сохранения рабочих характеристик и надежности светодиода.

6.1 Профиль оплавления при пайке

Рекомендуется бессвинцовый профиль оплавления. Ключевые параметры включают стадию предварительного нагрева (150-200°C в течение 60-120с), время выше температуры ликвидуса (217°C) от 60 до 150 секунд и пиковую температуру 260°C (рекомендуется 245°C), выдерживаемую в течение 10-30 секунд. Скорости нагрева и охлаждения должны контролироваться и не превышать 3°C/с и 6°C/с соответственно, чтобы минимизировать термический удар. Процесс быстрого охлаждения не рекомендуется.

6.2 Очистка и обращение

Если очистка необходима после пайки, следует использовать только спиртосодержащие растворители, такие как изопропиловый спирт. Неуказанные химические очистители могут повредить силиконовую линзу или материал корпуса. Светодиоды чувствительны к электростатическому разряду (ESD), максимальное напряжение пробоя составляет 2000В (модель человеческого тела). Во время обращения следует соблюдать стандартные меры предосторожности от ESD.

7. Упаковка и информация для заказа

Светодиоды поставляются на ленте в катушках для автоматизированной сборки методом pick-and-place. Размеры ленты и спецификации катушек (7-дюймовая катушка вмещает до 500 штук) соответствуют стандарту EIA-481-1-B. Код классификации по бинам указан на каждом упаковочном пакете, что позволяет отслеживать электрические и оптические характеристики партии.

8. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

8.1 Типичные сценарии применения

Основное применение — в бактерицидных устройствах: стерилизаторы поверхностей для телефонов или мелких предметов, установки для обеззараживания воды в системах непосредственного использования, модули очистки воздуха в системах вентиляции или портативных очистителях воздуха, а также стерилизационные камеры для медицинских или стоматологических инструментов. Его малый размер позволяет интегрировать его в компактные и портативные продукты.

8.2 Критически важные аспекты проектирования

Схема управления:Источник постоянного тока является обязательным, а не источник постоянного напряжения, чтобы обеспечить стабильную оптическую мощность и предотвратить тепловой разгон. Драйвер должен быть способен обеспечивать необходимое напряжение (≥ VF max) при заданном токе.

Тепловое управление:Это самый критический аспект проектирования системы на UVC светодиодах. Высокое тепловое сопротивление (38 К/Вт) означает, что тепло быстро накапливается на переходе. Металлическая печатная плата (MCPCB) или другое эффективное решение для теплового управления обязательны для поддержания температуры перехода ниже 90°C, особенно при работе на максимальном токе или близком к нему. Необходимо следовать кривой снижения номинального тока.

Оптическое проектирование:Широкий луч в 120 градусов может потребовать отражателей или линз для направления UVC-света на целевую поверхность для эффективной дезинфекции. Материалы должны быть стабильными под воздействием UVC (например, определенные марки алюминия, PTFE, кварц), так как многие пластики деградируют под УФ-излучением.

Безопасность:UVC-излучение вредно для кожи и глаз человека. Продукты должны включать блокировки безопасности, таймеры и экранирование для предотвращения воздействия на пользователя. Требуется соответствующая маркировка.

9. Надежность и срок службы

Техническая документация включает комплексный план испытаний на надежность. Испытания, такие как срок службы при комнатной температуре (RTOL), срок службы при высокой/низкой температуре (HTOL/LTOL) и температурные циклы, проводятся в течение до 3000 часов. Критерием отказа считается изменение прямого напряжения более чем на 10%, падение излучаемого потока ниже 50% от начального значения или сдвиг пиковой длины волны за пределы ±2нм. Эти испытания подтверждают надежность продукта при различных воздействиях окружающей среды, подтверждая заявления о длительном сроке службы при использовании в рамках спецификаций.

10. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с традиционными ртутными UVC-лампами, данный светодиод предлагает значительные преимущества: мгновенный запуск (без времени прогрева), отсутствие опасной ртути, более длительный срок службы, компактные размеры и возможность цифрового управления яркостью. По сравнению с другими UVC светодиодами, его конкретное сочетание оптической мощности (10мВт тип. @60мА), длины волны (275нм) и размера корпуса (3.5x3.5мм) позиционирует его для применений, требующих баланса между выходной мощностью и габаритами. Детальная система бинирования обеспечивает предсказуемость для крупносерийного производства.

11. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Какое напряжение драйвера мне нужно?

О: Выходное напряжение вашего источника постоянного тока должно быть выше максимального прямого напряжения (VF max) используемого вами бина светодиода, обычно 7.0В, плюс некоторый запас для потерь в дорожках и соединениях.

В: Как рассчитать дозу дезинфекции?

О: Доза (в Джоулях на квадратный сантиметр, Дж/см²) — это произведение облученности (оптической мощности на единицу площади, Вт/см²) и времени воздействия (секунды). Вы должны измерить или рассчитать облученность на целевой поверхности на основе излучаемого потока светодиода, угла луча, расстояния и оптики. Сравните это с дозой, необходимой для инактивации целевого патогена.

В: Могу ли я питать его током 100мА непрерывно?

О: Вы можете питать его током 100мА только если гарантируете, что температура перехода остается ниже 90°C, что требует исключительного теплового управления. Обратитесь к кривой снижения номинального тока; при повышенных температурах окружающей среды максимально допустимый ток значительно ниже.

В: Почему прямое напряжение такое высокое?

О: UVC светодиоды основаны на полупроводниках из нитрида алюминия-галлия (AlGaN) с очень широкой запрещенной зоной, что по своей природе требует более высокого напряжения для возбуждения электронов через зону и генерации коротковолновых фотонов.

12. Пример проектирования и использования

Пример: Проектирование портативной бутылки-стерилизатора для воды.Разработчик хочет создать бутылку, способную стерилизовать 500мл воды за 60 секунд. Используя LTPL-G35UVC275GS (бин X3, 9-10мВт), он планирует использовать 4 светодиода. Суммарный излучаемый поток составляет ~36-40мВт. Вода циркулирует мимо светодиодов в тонкой камере. Предполагая 50% эффективность оптической связи и требуемую УФ-дозу для обычных бактерий 40 мДж/см², рассчитывают необходимую площадь поверхности камеры и скорость потока. Выбирается источник постоянного тока, установленный на 60мА на светодиод с возможностью выходного напряжения 9В. Небольшой алюминиевый радиатор интегрирован с MCPCB светодиодов для управления теплом в течение минутного цикла, поддерживая температуру перехода в допустимых пределах. Функции безопасности включают выключатель блокировки крышки и непрозрачный внешний корпус.

13. Введение в принцип работы

UVC светодиод — это полупроводниковый p-n переходный диод. При приложении прямого напряжения электроны инжектируются через переход и рекомбинируют с дырками в активной области. В UVC светодиоде ширина запрещенной зоны полупроводникового материала (AlGaN) очень велика (~4.5 электронвольт). При рекомбинации эта энергия высвобождается в виде фотона (частицы света). Длина волны этого фотона обратно пропорциональна энергии запрещенной зоны (λ = hc/Eg). Запрещенная зона ~4.5 эВ соответствует длине волны фотона приблизительно 275 нанометров, что находится в диапазоне UVC. Этот высокоэнергетический свет поглощается ДНК и РНК микроорганизмов, вызывая образование тиминовых димеров, которые препятствуют репликации, тем самым инактивируя патоген.

14. Технологические тренды и разработки

Область UVC светодиодов быстро развивается. Ключевые тенденции включают:

Повышение эффективности (WPE):Исследования сосредоточены на улучшении внутренней квантовой эффективности (сколько электронов производят фотоны) и эффективности вывода света (извлечение фотонов из кристалла), что напрямую увеличивает излучаемый поток при заданной электрической мощности, снижая энергопотребление системы и тепловую нагрузку.

Более длинные волны >280нм:Хотя ~275нм является оптимальным для бактерицидного действия, светодиоды, излучающие на чуть более длинных волнах (например, 280-285нм), могут обеспечить более высокую выходную мощность и эффективность, сохраняя при этом значительную дезинфицирующую способность, что создает варианты для компромиссов при проектировании.

Улучшение срока службы и надежности:Достижения в конструкции кристаллов, материалах корпусирования (особенно стабильных к UVC компаундах) и тепловом управлении постоянно увеличивают срок службы (L70, время до 70% от начальной мощности) UVC светодиодов, делая их более жизнеспособными для применений с непрерывной работой.

Снижение стоимости:По мере роста объемов производства и улучшения выхода годных изделий, стоимость за милливатт UVC оптической мощности снижается, ускоряя внедрение светодиодной технологии на все большее количество рыночных сегментов, от профессиональных до потребительских товаров.