Светодиоды ультрафиолетового спектра и излучения в медицине и других сферах

Принцип действия УФ-светодиодов

Ультрафиолетовое излучение — невидимое глазу электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым излучением и рентгеновскими лучами, ниже видимого спектра. Принцип работы УФ-светодиодов принципиально не отличается от обычных светоизлучающих светодиодов (излучение происходит под действием постоянного тока), однако для их создания используются некоторые добавки, например, арсенид алюминия, галлия и галлий, алюминий и индий нитрид. В этом случае готовые светодиоды имеют спектр излучения от 100 до 400 нм (так называемая «ближняя УФ-область»), где длина волны зависит от материала полупроводника.

Преимущества светодиодов

Замена газоразрядных ламп на светодиоды на установках дезактивации может дать следующие основные преимущества:

• за счет небольшого размера светодиодов можно более точно сфокусировать излучение на продезинфицированном объекте;
• регулирование мощности излучения в широких пределах (диммирование);
• возможность создания источника с наиболее эффективной длиной волны 265 нм; высокая механическая прочность, значительное снижение веса системы;
• нет ртути.

В двух словах, используя светодиоды, мы получаем компактное дезинфицирующее устройство, которое будет иметь меньше ограничений в использовании, чем используемые в настоящее время устройства на основе бактерицидных ламп. В частности, возможность точной фокусировки, а также регулировка мощности в широком диапазоне позволят использовать дезинфицирующее средство в условиях постоянного присутствия людей без ущерба для их здоровья.

Обеззараживание медицинского инструмента бактерицидной лампой

Технические характеристики

Срок службы УФ светодиода может достигать 50 тысяч часов, температура эксплуатации от минус 20 до плюс 100 градусов Цельсия.

Номинальные рабочие токи — от 20 мА (для маломощных диодов), 350 и 700 мА и выше (для более мощных). Использование стандартных токов позволяет использовать обычные источники питания при производстве и установке устройств УФ-излучения.

Главные технические характеристики

Обычные и УФ светодиоды имеют одинаковые характеристики тока и напряжения:

• Диапазон падения напряжения от 3 до 4 вольт.
• Рабочий ток светодиодных лент малой мощности составляет 0,02 А, для светодиодов высокой мощности УФ 0,035-0,08 мА.

Светодиоды различаются по размеру. Например, диоды с номером 5730 в маркировке обозначают длину (57) и ширину (30).

Еще один показатель — длина УФ-лучей. Обычно это 300-400 нм (нанометров), иногда 210 нм.

Лучшие производители

Практически все ведущие компании входят в список производителей УФ-светодиодов, но японские и китайские компании считаются признанными лидерами в этом секторе. Это преобладание возникло из-за того, что производство ультрафиолетовых диодов тесно связано с разработками и исследованиями, а основные лаборатории и институты сосредоточены в этих странах. К известным производителям УФ-устройств относятся:

1. Honglitronic. Китайская компания, выпускающая UVC-диоды G6060 с длиной волны 275-285 нм. Они отличаются высокой надежностью и долгим сроком службы;
2. Lumled. Компания, основанная холдинговыми компаниями Hewlett Packard и Philips. Разработкой этой компании стал светодиод Luxeon UV U1, излучающий в диапазоне 380-420 нм. Изготовлен в микрокорпусе, обладает большей мощностью, чем предыдущие модели;
3. Nikkiso Co. Ltd. Японская компания, создавшая первые светодиоды, способные генерировать излучение в диапазоне 255-350 нм. Это аппараты серии Deep-UV. За создание технологии разработчики получили Нобелевскую премию 2014 года.

Этот список не является исчерпывающим. Разработка и производство ультрафиолетовых светодиодов ведется во многих странах, так как такие устройства становятся все более популярными в различных областях техники, медицине и других областях человеческой деятельности.

Варианты исполнения

При малой мощности УФ-светодиоды могут быть реализованы в стандартных корпусах индикаторных светодиодов.

Диоды более высокой мощности доступны в эмиттерных или других стандартных корпусах.

Обязательным условием для корпуса является хорошая система охлаждения, вплоть до использования вибрирующих мембран или мини-вентиляторов, так как ультрафиолетовые светодиоды преобразуют только четверть полученной энергии в свет, а остальные три — в тепло. Перегрев любого светодиода, в том числе ультрафиолетового, отрицательно сказывается на его работе и приводит к выходу диода из строя.

Также поверхность лампы, на которую крепится светодиод или светодиодный модуль, не должна иметь металлического основания. Эта база отрицательно влияет на коэффициент излучения, снижая эффективность работы.

Где применяются УФ светодиоды

Во многих сферах. Перечислим только основные направления и приведем примеры.

• Лекарственное. Для жителей холодных регионов, где наблюдается дефицит солнечного света, процедуры проводят с воздействием УФ-излучения. Дело в том, что через УФ-спектр солнца мы получаем витамин D, важный для человеческого организма элемент.
• Промышленность. УФ-лучи ускоряют полимеризацию (высыхание и отверждение) клея или специальной смолы, называемой компаундом.
• Криминалистика. Могут быть обнаружены следы крови и других веществ, которые не видны при обычном освещении.
• Банковское дело. Поддельные деньги обнаруживаются под воздействием УФ-лучей.
• Деловая дача. Умеренное воздействие ультрафиолета на овощи ускоряет производство полифенолов, полезных для здоровья человека

Сферы применения УФ светоизлучающих диодов

Области применения УФ-светодиодов значительно различаются. Среди них: сельское хозяйство, медицина, промышленность, криминалистика, оборудование, индустрия красоты. Каждое направление использует одно из множества свойств светодиодов.

Медицина активно использует способность ультрафиолетового излучения убивать микроорганизмы и бактерии. Помещения и палаты больниц подвергаются «кварцеванию», это процесс обеззараживания воздуха в помещении с помощью специальной УФ-лампы. Воздействие ультрафиолетовых светодиодов на воду убивает патогенные вирусы и бактерии, не влияя на вкус жидкости. Рабочий диапазон 250-280 нм обеспечивает стерилизацию воздуха и воды, уничтожая ДНК опасных микроорганизмов.

Под воздействием потока лучей от ультрафиолетовых светодиодных устройств происходит отверждение композиционных материалов и клея. Быстрое отверждение ускоряет производственный цикл, значительно сокращая время, необходимое для естественной сушки. Стоматологические пациенты сами на себе ощутили, как быстро полимерная пломба затвердевает под воздействием ультрафиолета.

Похожий принцип используется для специальных принтеров, где вместо композитных материалов твердеет краска. Есть хорошие перспективы использования светодиодных сушилок в струйной печати. Хотя УФ-светодиоды недостаточно мощны для установки на широкоформатные плоттеры, производители активно работают в этом направлении. Светочувствительные материалы отверждаются при длине волны от 365 до 395 нм.

Современные светодиодные технологии с использованием ультрафиолетового света помогают судебным экспертам собирать доказательства. Они позволяют обнаруживать на документах следы биологических выделений, флуоресцентных красителей, незаметные для глаз отметки. Детекторы, проверяющие подлинность банкнот, помогают выявлять подделки даже в хорошо освещенном помещении.

В теплицах при выращивании овощей культура подвергается кратковременному воздействию ультрафиолета. Это помогает увеличить содержание полифенолов с антиоксидантными свойствами.

Преимущества ультрафиолетовых светодиодных лент

Светодиоды редко работают в одиночку. Как правило, это целая светодиодная лента не менее 10 штук. Поэтому правильнее будет говорить о преимуществах и недостатках светодиодных лент ультрафиолета. Также следует разделить обычные и ультрафиолетовые светодиоды.

Плюсы любой светодиодной ленты:

• Высокая световая отдача, не уступающая своим энергосберегающим аналогам (150 люмен на ватт).
• Устойчивость к низким температурам.
• Экологичность (отсутствие вредных паров ртути, в отличие от ЭСЛ).
• Длительный срок службы (до 10 лет).
• Нет таких громоздких устройств управления, как ESL.
• Срок службы не сильно меняется при частом включении и выключении (к этому очень чувствительны ECL и лампы накаливания).
• Устойчивый к вибрации.

Минусы любой светодиодной ленты:

• Пока что стоимость высока (светодиоды получили широкое распространение не так давно).
• Пока что дорогой аппарат управления, драйвер.
• Менее привычный для человеческого глаза свет (лампы накаливания и лампы ESL ближе к естественному солнечному свету).
• При использовании систем водяного охлаждения в корпусе агрегата может образовываться конденсат (но это ерунда по сравнению с обслуживанием ЭСЛ).

Читайте также: полный обзор и правила выбора ультрафиолетовой лампы.

Преимущества светодиодных УФ-лент по сравнению с другими УФ-лампами:

• Не выделяется вредный для человека озон, поэтому нет необходимости проветривать помещение (например, излучают энергосберегающие кварцевые лампы).
• Неограниченное затемнение (очень ограниченное с другими УФ-лампами).
• Намного безопаснее для человека, в отличие от своих энергосберегающих аналогов.

Недостатки светодиодных лент УФ:

• Часто необходимо менять всю светодиодную ленту, а не отдельные диоды (однако это зависит от конструкции светильника).
• Излучается только рассеянный свет (для прожектора требуются специальные линзы).

Причины отказа работы светодиодов

Сначала поговорим обо всех типах светодиодов.

Их называют вечными источниками света. Если соблюдать несколько простых правил эксплуатации, светодиоды могут проработать в среднем 5 лет. Однако необходимо понимать, что диод есть, но есть устройство для его управления, которое называется драйвером.

Во-первых, недорогие образцы, обычно производимые в Китае, тратят 30-40% всей энергии, подаваемой на светильник (в качественных драйверах около 9-11 %).

Во-вторых, драйвер должен быть оборудован гальванической развязкой, которая необходима, чтобы на диоды ни при каких условиях не падало высокое напряжение. В некачественных драйверах он отсутствует, что может привести к перегоранию всей лампы. Хорошие драйверы имеют защиту от продолжительных скачков напряжения до 380 вольт, а для использования вне помещений и грозовых импульсов не менее 5000 вольт.

Недорогие аналоги могут вывести из строя расположенные поблизости электрические устройства или мешать их работе, создавая помехи.

Рекомендуется приобрести драйвер и / или приспособление заводской сборки, имеющее сертификат электробезопасности и электромагнитной совместимости с другими устройствами. Китайские аналоги, например, можно распознать по цветовой температуре 6000К и более. Не должно быть больше 4000 К.

Еще одной причиной выхода из строя может стать халатность или недобросовестность производителя светодиодного светильника. Драйвер, например, может иметь мощность 2 Вт, а диоды — 1 Вт. В этом случае светодиод перегревается и перегорает.

Также к перегреву приводит засорение корпуса пылью и насекомыми, особенно ребер охлаждения. Время от времени лампу нужно полностью чистить.

При покупке обратите внимание также на корпус лампы. Пластиковый корпус сохраняет тепло, не рассеивая его в окружающую среду. Рекомендуется покупать светильники с алюминиевым корпусом, у него высокая теплоотдача.

Технические параметры UV-светодиодов

За небольшим исключением технические характеристики светодиодных источников света с ультрафиолетовым излучением повторяют параметры светодиодных кристаллов в видимой части спектра. К основным параметрам УФ-светодиодов можно отнести следующие особенности:

• длина волны излучаемого света составляет от 100 до 400 нм. Этот параметр указывается в паспорте осветительного прибора и служит ориентиром для различных областей применения.
• световой поток является основной характеристикой кристалла светодиода и напрямую связан с его мощностью. Световой поток измеряется в люменах, но для светодиодов с узкой диаграммой направленности иногда указывается сила света — световой поток, деленный на телесный угол. Сила света измеряется в канделах.
• номинальный рабочий ток дан для номинальной мощности светодиода и используется для расчета параметров источника питания (драйвера).
• прямое напряжение указывает на падение напряжения питания на светодиоде в открытом (горящем) состоянии. Для ультрафиолетовых продуктов оно составляет от 3 до 4,5 вольт.

Такие параметры светодиодных источников видимого света, как коэффициент пульсации, индекс цветопередачи и цветовая температура, не актуальны для УФ-продуктов.

Преимущества и недостатки

Замена газоразрядных ламп на светодиоды в устройствах дезактивации дает следующие преимущества:

• мощность можно регулировать в широком диапазоне благодаря наличию диммера;
• благодаря компактным размерам чипов, излучение точно фиксируется на дезинфицируемом объекте;
• возможность создания источника с эффективной длиной волны 270 нм. Это обеспечит высокую механическую прочность и снизит вес установки;
• прибор работает без ртути;
• по сравнению со стандартными системами запуск происходит мгновенно;
• диоды работают в длинноволновом диапазоне, поэтому генерация озона невозможна;
• не требуются патрубки для вытяжного воздуха, агрегат имеет водяное охлаждение;
• некоторые модели оснащены светодиодами разной длины волны.

Эмиссионные спектры.

Диоды позволяют использовать компактное дезинфицирующее устройство с меньшими ограничениями, чем стандартные бактерицидные лампы. Регулируя мощность, устройство можно использовать в среде, где находятся люди, без какого-либо негативного воздействия на здоровье.

К недостаткам УФ-чипов можно отнести:

• регулируемое покрытие часто обходится дорого;
• более низкий КПД, чем у ламп среднего давления;
• краски, подходящие для ламп, реагируют на солнечный свет;
• УФ-свет фокусируется только специальными линзами;
• замена одного из поврежденных элементов возможна далеко не во всех установках;
• в системах с водяным охлаждением внутри камеры может образовываться конденсат. Это приведет к скоплению микроорганизмов в холодильной системе.

LED лампы для сушки ногтей

Салоны красоты активно предлагают маникюрные процедуры с нанесением лака или геля. Для сушки составов используются устройства с УФ-излучением различной силы. Современные светодиодные лампы на основе УФ-светодиодов стали достойной заменой ртутьсодержащим люминесцентным приборам. Полупроводниковые устройства безопасны, долговечны и потребляют минимальное количество энергии, в то же время способствуя затвердеванию геля на ногтях за секунды. Новые устройства имеют неоспоримые преимущества за счет установки внутри них светодиодов:

• мгновенное включение;
• компактный размер;
• длительная эксплуатация;
• низкое энергопотребление;
• безопасность.

Светодиодные сушилки для ногтей просты в конструкции и эксплуатации. Из недостатков светодиодных светильников для ногтей можно назвать только их высокую стоимость.

Требования к конструкции

В классическом корпусе светодиодных фонарей можно сделать маломощные диоды, но при этом должна быть полностью продуманная система охлаждения. Это могут быть вибрационные мембраны или встроенные вентиляторы. Это значение придается системе охлаждения, поскольку только 25% УФ-энергии, получаемой во время кормления, преобразуется в свет, а остальные 75% вырабатываются в виде тепла.

УФ светодиодный корпус

Повышение рабочей температуры любого светодиода вызовет мгновенный износ. Ультрафиолет с такими параметрами тоже не исключение.

Корпус, а также монтажное основание должны быть изготовлены из прозрачной эпоксидной смолы с пропиткой или прочного пластика. Металл не применяется, так как он сильно снижает КПД лампы.

Как правильно использовать ультрафиолетовые светодиоды

Неправильное использование светодиодной лампы не даст желаемого эффекта. Это может создать у владельца ложное впечатление о работоспособности. Также не стоит забывать о ненужном износе устройства и энергозатратах. Одна из самых распространенных ошибок при использовании агрегата — неправильное позиционирование независимо от расхода воздуха. В большинстве случаев дверь и окно образуют линию.

Перед покупкой и использованием устройства необходимо ознакомиться с его функциями и долговечностью, чтобы оценить его эффективность. График включения и выключения должен быть составлен.

Если в квартире был человек с ОРВИ, для стерилизации необходимо выполнить следующие действия:

1. Все должны уйти, прежде чем начнется уборка.
2. Проведите влажную уборку.
3. Проветрите комнату не менее 15 минут.
4. Включите устройство на полчаса.

Рисунок представляет собой пример правильного графика использования УФ-лампы.

Когда закончите, проветрите комнату в течение 5 минут. Повторите чистку еще раз в течение дня.

Как пользоваться бактерицидной лампой

Безопасны ли для человека

Здесь также необходимо разделить обычные и УФ-светодиодные ленты.

Поначалу обычное дело.

• Подавляет выработку мелатонина, который необходим человеку для сна. Поэтому не рекомендуется находиться под светодиодным освещением за несколько часов до сна (светодиоды сейчас есть практически во всех современных телевизорах и мониторах).
• В дешевых (обычно китайских) лампах сильное мерцание ухудшает зрение. Дорогие аналоги лишены такого недостатка.
• Цветовые температуры выше 4000 К вредны для здоровья. Не следует выбирать значение выше этого числа.

Вред от ультрафиолетовых светодиодных лент только один: при длительном воздействии на человека портится зрение. Но в целом они безопасны для человека. Энергосберегающие аналоги более опасны, но это тема для отдельной статьи.

Применение УФ-светодиодов

Как упоминалось выше, УФ-светодиоды используются в тех же областях, где раньше использовались УФ-лампы, но в отличие от ламп, диоды имеют меньший размер и потребляемую мощность, а также более длительный срок службы.

УФ-светодиоды используются:

• В медицине. Например, в стоматологии часто используются пломбы, затвердевающие при воздействии ультрафиолета. Еще одна область применения в медицине — световая терапия. Физиотерапия с УФ-излучением назначается жителям крайнего севера (где наблюдается дефицит солнечного света), детям в период реабилитации после различных заболеваний, новорожденным с повышенным уровнем билирубина в крови («желтуха новорожденных»).
• В промышленности. Существуют различные типы светочувствительных веществ (особенно клеев) и композитов, которые полимеризуются под воздействием УФ-лучей. Также это излучение используется при изготовлении лекарств.
• Для дезинфекции инструментов (в медицине, косметологии), воды (в отличие от хлора УФ-обработка не влияет на ее вкус и состав), воздуха в помещении. Ультрафиолетовый свет эффективно убивает вредные для человека бактерии и вирусы.
• В судебной медицине. Специальная краска, светящаяся в ультрафиолетовых лучах, используется для маркировки банкнот, когда необходимо доказать, что вы получили взятку. Кроме того, с помощью ультрафиолетовых лучей судмедэксперты могут обнаружить следы крови и других биологических жидкостей на одежде подозреваемых или в комнате, где проводится исследование.
• В банке. Специальные счетные машины могут одновременно подсчитывать количество банкнот и проверять их подлинность.
• В косметологии. Например, в УФ-соляриях и лампах для сушки ногтей, а также во время различных процедур.
• Для выращивания растений. Ультрафиолет значительно ускоряет производство полифенолов в листовых овощах, делая их более полезными для человека без использования специальных препаратов.

УФ-лампа для сушки ногтей

Кроме того, ведутся исследования, по результатам которых планируется использовать ультрафиолет для профилактики и лечения рака. Антимутагенные свойства УФ-лучей изучаются. Разрабатываются новые полимеры, свойства которых можно изменять в желаемом направлении с помощью УФ-излучения.