Kampf gegen Viren, Keime & Co.
So gelingt das Design mit UV-C-LEDs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Entwickeln mit UV-C-LEDs
LEDs bringen ihre eigenen Design-Herausforderungen mit sich, sodass es unpraktisch ist, zu versuchen, ein Produkt, das um eine Quecksilberdampf-Lichtquelle herum entwickelt wurde, anzupassen, um darin UV-C-LEDs unterzubringen. Daher ist der Ersatz von Quecksilberdampflampen durch UV-C-LEDs in Entkeimungs- oder Sterilisationsanwendungen nicht einfach nur ein Austausch einer Lichtquelle gegen eine andere.
Bei der Auswahl von UV-C-LEDs für die Desinfektion oder Sterilisation sollte der Planungsprozess mit der Bestimmung des Bereichs beginnen, auf den das UV-C-Licht angewendet werden muss, sowie des Strahlungsflusses (Bestrahlungsstärke) in Watt pro Quadratmeter (Watt/m2), der erforderlich ist, um die Zielerreger in der bestrahlten Zone zu deaktivieren.
Betrachtet man z. B. eine Anwendung zur Desinfektion der aus einem Klimakanal austretenden Luft: Ausgehend von den oben genannten 17 J/m2 würde die Deaktivierung von Viren im Luftstrom in etwa fünf Sekunden bei einer Fläche von 0,25 m2 ein System mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 4 Watt/m2 (bei einer Gesamtleistung von 1 Watt) erfordern.
Sobald die gewünschte Bestrahlungsstärke berechnet ist, kann der Entwickler ausrechnen, wie sie geliefert werden kann. Eine Faustregel ist, den Strahlungsfluss jeder LED zu berücksichtigen und die Gesamtbestrahlungsstärke durch diese Zahl zu teilen, um die Anzahl der LEDs zu ermitteln, die für jedes Produkt auf der Komponentenliste erforderlich sind. Diese grobe Berechnung ist eine Vereinfachung, weil sie nicht berücksichtigt, wie dieser Fluss verteilt ist. Zwei Faktoren bestimmen, wie der Strahlungsfluss auf die Zieloberfläche auftrifft. Die erste ist der Abstand von der LED zum Objekt und die zweite ist der »Abstrahlwinkel« der LED.
Eine Frage des Abstrahlwinkels
Wird die LED als Punktquelle betrachtet, nimmt die Bestrahlungsstärke nach einem inversen Quadratgesetz ab. Wenn z. B. in 1 cm Entfernung vom Emissions- punkt die Bestrahlungsstärke 10 mW pro Quadratzentimeter (mW/cm2) beträgt, dann ist die Bestrahlungsstärke in 10 cm Entfernung auf 0,1 mW/cm2 gesunken. Diese Berechnung setzt jedoch voraus, dass die LED in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt, was nicht der Fall ist. Stattdessen besitzen LEDs eine Primäroptik, die den Strahlungsfluss in eine bestimmte Richtung lenkt. Die Hersteller geben in der Regel den Abstrahlwinkel der LEDs im Datenblatt an. Dieser ist definiert als der Winkel, bei dem 50 Prozent der Spitzenbestrahlungsstärke auf beiden Seiten des Ursprungs erreicht werden.
Die oben beschriebenen UV-C-LEDs von Luminus Devices, Vishay und SETi/Seoul Viosys bieten Abstrahlwinkel von 130, 120 bzw. 125 Grad. Bild 6 zeigt das Bestrahlungsmuster der LED XBT-3535-UV-A130-CC275-01 von Luminus Devices. Im Diagramm zeigt die gestrichelte Linie an, wo 50 Prozent der Spitzenbestrahlungsstärke erreicht werden. Damit wird der Abstrahlwinkel definiert (65 + 65 Grad).
Das Hauptmerkmal, das den Abstrahlwinkel bestimmt, ist das Verhältnis des LED-Chips zur Größe der Primäroptik. Um einen schmaleren Strahl zu erzeugen, ist daher ein kleinerer Emitter oder eine größere Optik (oder ein entsprechendes Gleichgewicht aus beidem) erforderlich. Der Kompromiss beim Design besteht darin, dass ein kleinerer Chip geringere Emissionen erzeugt, während größere Optiken schwieriger herzustellen sind, was die Preise in die Höhe treibt und die Steuerung des Abstrahlwinkels einschränkt.
Kommerzielle LEDs werden in der Regel mit werkseitig montierten Primäroptiken geliefert, sodass die Entscheidung über das Verhältnis von Chip und Optik außerhalb der Kontrolle des Designers liegt. Deshalb ist es wichtig, den Abstrahlwinkel der in die engere Wahl kommenden Produkte zu überprüfen, da zwei identische Ausgabegeräte verschiedener Anbieter ganz unterschiedliche Abstrahlungsmuster haben können.
Während der Abstand der LED zum bestrahlten Objekt und der Abstrahlwinkel einen guten ersten Anhaltspunkt für das Bestrahlungsmuster darstellen, gibt es Quellen der Varianz. Zum Beispiel können die Lichtmuster von LEDs eines einzigen Herstellers mit theoretisch identischen Leistungen und Abstrahlwinkeln je nach primärem Optikdesign in Intensität und Qualität erheblich variieren. Die einzige Möglichkeit, sich über das tatsächliche Bestrahlungsmuster sicher zu sein, besteht darin, die Leistung der in die engere Wahl kommenden Produkte zu testen.
Mit der LED-Leistung, dem Abstand zwischen der LED und der Oberfläche, auf der die zu desinfizierenden Gegenstände sitzen, dem Abstrahlwinkel und den tatsächlichen Emissionsdaten kann der Ingenieur berechnen, wie viele LEDs benötigt werden und wie sie positioniert werden müssen, um die gewünschte Bestrahlungsstärke über der aktiven Fläche zu erzeugen.
Welche LED ist die richtige?
Die endgültige Wahl der LED hängt von dem gewünschten Kompromiss zwischen Kosten, Effizienz und Komplexität ab. UV-C-LEDs sind teuer, sodass ein Ansatz darin bestehen könnte, weniger Komponenten mit höherer Leistung zu verwenden, anstatt eine größere Anzahl von Komponenten mit geringerer Leistung. Der Vorteil dieses Szenarios ist, dass die Kosten für die LED-Komponenten niedriger sein könnten und die Komplexität der Treiber reduziert wird. Der Nachteil ist, dass die leistungsfähigeren Komponenten aufgrund ihrer geringen Effizienz ein besseres Wärmemanagement erfordern, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten (hohe Temperaturen reduzieren die Lebensdauer der LEDs dramatisch). Dies erfordert größere Kühlkörper, was einen Teil der erwarteten Kosteneinsparungen zunichte macht.
Auslegen von Sekundäroptiken
Eine Alternative zum Hinzufügen von LEDs und/oder zur Erhöhung der LED-Leistung ist die Verwendung von Sekundäroptiken. Diese Komponenten kollimieren (erzeugen parallele Lichtstrahlen gleicher Intensität) den UV-C-Ausgang der LED, um jegliche Strahlungswinkeleffekte zuverlässig zu eliminieren. Theoretisch sollte bei Verwendung der Kollimation die Be- strahlungsstärke über die Zielfläche gleichmäßig sein (unabhängig von der Anordnung der LEDs), und eine bestimmte Bestrahlungsstärke sollte mit weniger LEDs erreicht werden, da weniger von der Leistung verschwendet wird. Alternativ kann mit der gleichen Anzahl von LEDs eine höhere Bestrahlungsstärke erreicht werden als bei einem Design ohne Sekundäroptik (350 mW/m2 vs. 175 mW/m2) (Bild 7).
In der Praxis ist die Bestrahlungsstärke mit Sekundäroptiken weniger gleichmäßig, da die Kollimation selbst bei den besten Produkten aufgrund von Beugung unvollkommen ist (obwohl die Kollimation umso besser ist, je kleiner die LED ist). Außerdem sind oft langwierige Experimente mit der Positionierung von LEDs und Sekundäroptiken nötig, um die erforderliche Bestrahlungsstärke mit weniger Komponenten zu gewährleisten, verglichen mit einem ähnlichen Design ohne Sekundäroptik.
Zu beachten ist, dass die Sekundäroptiken für UV-C-LEDs aus anderen Materialien gefertigt werden als bei LEDs für sichtbares Licht. Gängige Lösungen sind spritzgegossene Silikonteile, die UV-C-Wellenlängen gut reflektieren und die Herstellung komplexer Linsendesigns ermöglichen. Zur Kollimation von UV-C können auch Aluminiumreflektoren eingesetzt werden. Der Kompromiss bei der Verwendung von Sekundäroptiken ist die Kostenersparnis durch die Verwendung von weniger LEDs gegenüber der erhöhten Komplexität des Designs im Kollimator.
Sicherheitsvorkehrungen
Obwohl UV-Strahlung die menschliche Haut nicht weit durchdringen kann, wird sie absorbiert und kann kurzfristige Schäden wie Verbrennungen und langfristige Schäden wie Falten und vorzeitige Hautalterung verursachen. In extremen Fällen kann die UV-Belastung Hautkrebs verursachen. UV-Licht ist besonders gefährlich für die Augen, wo es sowohl die Netzhaut als auch die Hornhaut schädigen kann. Bei Wechselwirkung mit der Luft kann UV-Strahlung auch Ozon erzeugen, das in hohen Konzentrationen als gesundheitsgefährdend gilt.
Aufgrund dieser Gefahren ist es sinnvoll, Produkte so zu konstruieren, dass die Exposition gegenüber UV-C-Licht begrenzt ist und der Benutzer nicht direkt in die LED schauen kann. Da UV-C unsichtbar ist, ist es auch eine gute Praxis, LEDs zu wählen, die absichtlich einige sichtbare blaue Lichtemissionen enthalten. Dadurch wird deutlich, wann die UV-C-LEDs eingeschaltet sind.
Insbesondere bei SARS-CoV-2 ermöglicht der Einbau von Sterilisationseinheiten in HLK-Anlagen eine schnelle Deaktivierung des über die Luft übertragenen Virus, während das UV-C von Menschen ferngehalten wird. Andernorts wird an LEDs geforscht, die in Leuchten eingebaut werden können, um Oberflächen mit sehr niedrigen UV-C-Werten zu bestrahlen, die für den Menschen unschädlich sind, aber über lange Zeiträume eine ausreichende Bestrahlung bieten, um Viren auf Oberflächen wie Tischen, Stühlen, Böden und Türgriffen zu deaktivieren.
Fazit
UV-C-Strahlung kann zur Deaktivierung von Krankheitserregern wie SARS-CoV-2 in Desinfektions- und Sterilisationsprodukten eingesetzt werden. Die übliche künstliche UV-C-Quelle ist jedoch die Quecksilberdampflampe, die aufgrund des Schwermetallgehalts bei der Entsorgung Probleme bereitet. UV-C-LEDs bieten eine effizientere und langlebigere Alternative, die das Entsorgungsproblem vereinfacht. Inzwischen sind eine Reihe von UV-C-LEDs im Handel erhältlich, die Emissionsspitzen bei Wellenlängen aufweisen, die ideal für die Deaktivierung von Krankheitserregern geeignet sind.
Diese LEDs sind jedoch keine einfache, direkt einsetzbare Alternative, und es bedarf eines sorgfältigen Designs, um ihre Vorteile zu maximieren. Wie beschrieben, muss ein Entwickler mit der gewünschten Bestrahlungsstärke auf der aktiven Fläche beginnen und die Anzahl und Anordnung der UV-C-LEDs berechnen, die benötigt werden, um diese Bestrahlungsstärke zu erreichen. Der Designer muss auch entscheiden, ob er sich auf die primäre Optik der LEDs verlässt, um eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke zu erzeugen, oder ob er eine sekundäre Optik einsetzt, um die UV-C-Leistung für ein optimales Muster zu kollimieren, wobei er die Kosten für die größere Komplexität berücksichtigen muss.
Der Autor
Rolf Horn ist Applications Engineer bei Digi-Key Electronics
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