深紫外LED的一些设计问题及解决方案

随着UVC LED（深紫外LED）性能的提高，这种相对较新的技术在生命科学和环境监测仪器方面使用率正在迅猛发展。与所有新兴技术一样，设计师必须意识到与现有解决方案之间存在一些根本性的差异，而不是认为是简单替换器件。UVC LED可以减少占用空间和功耗，设计人员可以充分发挥UVC LED的全部优势，从而提高最终用户的拥有成本。

深紫外LED在仪器中的应用

UVC LED在光谱应用的兴趣在不断增加，因为它们可以解决小型化、降低成本和实时测量方面的市场趋势。与氘灯或氙气闪光灯不同，LED发出窄光谱，其中来自设备的所有光输出可用于测量。用户可以根据应用要求选择感兴趣的特定峰值波长。在具体应用中，已经开发了254nm汞灯发射线的标准测量方法。例如，根据EPA标准测量的水和空气质量要求LED接近254nm峰值波长。表1列举了可以用光谱鉴定的生命科学研究、药物生产和环境监测中的一些重要的有机化合物。


仪器光源选择的另一个主要标准是峰值波长的光输出。因为LED只有单个峰值，所以与其他UV灯不同，光输出集中在特定的波长。吸收光谱应用通常需要低水平的光输出 － 1mW或更小。但是，在流动池与光源隔离的情况下，由于在信号到达流动池之前存在显著的光衰减，因此需要较高的输出。这可以将LED所需的光输出提高到1mW以上。在荧光光谱中，信号强度与光强成正比。激发功率取决于需要检测的示踪剂的浓度水平，因此在这些应用中，单个LED所需的光输出可大于2 mW。图1比较了仪器中常见的紫外线光源之间的辐照度。虽然LED的输入功率要少得多，但所需UVC波长的辐照度要高于其他光源，因此对于特定测量来说，它成为了更有效的光源。

在选择波长和光输出后，另一个重要参数是观察角度，因为它影响仪器光学系统。 广泛而言，有两个选择 － 窄角或宽角。前者是用球透镜实现，后者有平面窗。窄角允许在较小的区域获得高强度的光。当将光直接聚焦到仪器中时，通常使用这种封装类型。

平面窗包装具有更宽的辐射，当与光纤对准用于远程耦合时，允许有更大的公差。在流动池必须与光源和电子设备隔离的应用中，比如监测高温化学过程或使用高挥发性溶剂进行色谱分离时，特别适用。实际上，窄角球透镜可将仪器中的组件保持最小，而平面窗则可提高设计灵活性。

优化驱动电流需要设计者平衡光输出与应用的寿命要求。以低于制造商额定的电流驱动LED会降低光输出，但也会增加光源的使用寿命。在需要高LED输出功率的应用中，一些终端用户选择以高于数据表规格的电流来操作LED。以这种方式增加驱动电流可以增加光输出，但也会导致性能上的某些风险。

过热是一个常见的问题，可以对LED的光输出和寿命产生负面影响。由于LED的即时开关功能，可以以周期性的方式快速打开和关闭LED。荧光的应用通常需要更高的光输出，通常使用脉冲模式（占空比）来更安全地增加LED电流。占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。例如，以50％占空比工作的LED，关闭和打开的时间正好各一半。图2显示了各种驱动电流和占空比下的归一化光输出。

图2：这里我们看到了不同的占空比对归一化光输出的影响，而开启时间恒定在500μs。

归一化功率是相对于最大额定工作电流100mA时（加上合适的散热器）光输出的相对光输出功率。

以高电流操作LED会影响LED结温，从而影响寿命和光输出。优化占空比可以最大限度地减小驱动电流对结温的影响，从而保持LED的性能。图3说明了占空比对维持LED结温的影响。通过在5％占空比下工作，可以实现光输出的三倍以上（如图2所示），对结温的影响最小。


过热会对LED的光输出和使用寿命产生负面影响。长期而言，这种热量会降低LED的使用寿命。由于与较长波长的LED相比，能量转换成热量的比例更大，因此设计UVC LED时，热管理非常重要。正确的热管理可使结温保持在给定应用所需的低温度，并保持LED的性能。除了被动和主动冷却方式之外，所选择的PCB还可以实现更好的散热。


FR4是最常用的PCB材料之一，因为其成本相对较低，但它的导热性低。在热负载高的系统中，金属芯PCB具有更好的导热性，是更优的选择。随着散热需求的增加，设计人员通常会倾向于增加PCB面积，并添加散热片以实现好的散热管理。 如果需要进一步散热，设计师可以采用更多的主动冷却技术。

随着UVC LED性能的提高，设计人员正在利用设计灵活性的优势，用于光谱仪器和消毒反应器。LED在这些应用中的优势会实现更紧凑、高效、更具成本效益的设计。随着这项技术的不断发展，聪明的设计师将会发现更多的方法使用UVC LED的优势来应对这些市场的挑战。

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