能杀菌的LED，都有啥秘密

随着UVC LED(短波紫外线LED)的性能不断提升，这种新技术正从生命科学和环境监测仪器应用中获得动能。如同对于所有新兴技术一样，设计人员必须瞭解其与现有方案的一些基本差异，而不是理所当然地认为可以"即换即用"。这让设计者能充份发挥UVC LED的全部优势。经过仔细地权衡，采用UVC LED的设计可以缩小产品体积、降低功耗，并为终端用户降低拥有成本。

UVC LED的仪控应用

由于UVC LED能满足市场对于小型化、降低成本和即时测量等趋势的要求，将其导入光谱应用的兴趣正持续升温。相较于氘或氙气闪光灯，LED输出较窄频谱光源，元件的光输出全部都可用于测量。使用者可根据应用需求选择感兴趣的特定峰值波长。针对特定应用，目前已开发出254nm波长水银灯的标准化测量方法。例如，当依据EPA标准检测水和空气品质时，需要一个接近254nm峰值波长的LED光源。表1整理在生命科学研究、药品生产和环境监测等应用中，能以光谱辨识的一些重要有机化合物。

表1：常见的有机化合物及其峰值吸收波长

在仪控应用中，选择光源的另一个主要标准是峰值波长的光输出。由于LED只有单一峰值，所以光输出均集中于一个特定波长，这和其它紫外线(UV)灯并不一样。吸收光谱的应用通常需要低层级的光输出--1mW或以下。然而，在流通池(flow cell)与光源隔离的情况，由于光讯号在到达流通池前存在严重衰减，所以需要更高的光输出功率。这可要求LED的光输出远超1mW。

在萤光光谱域，讯号强度与光的强度成正比。LED的激励功率取决于所需检测的示踪剂浓度高低，所以在这些应用中，单个LED所需的光输出可能大于2mW。图1比较仪器中常用的UV光源辐照度。尽管LED的输入功率要小得多，但在所需UVA波长段的辐照度却高于其它光源，使其成为在特定测量中实现更高效的光源。

图1：UVC LED、氙气闪光灯和氘灯的辐照度比较

在选择波长与光输出后，另一个重要参数是视角，它影响到仪器的整个光学系统。广泛来说，它有两种选择：窄视角或宽视角。窄视角经由球透镜实现，宽视角则采用平面窗。窄视角可在小范围内获得高强度光，而其封装通常用于光直接聚焦投射于仪器的应用。

平面窗具有更广的辐射模式，当与光纤同时用于远端耦合时，具有较佳的容限。这特别适用于流通池必须与光源和电子电路隔离的应用(例如监测高温化学过程或具有高挥发性溶剂的色谱分析)。在实际应用中：窄角球透镜可使仪器中的元件数减至最少；而宽角平面窗则使设计更具有灵活性。

最佳化驱动电流，让设计工程师可均衡光输出以及应用的使用寿命要求。以低于制造商规范评等的额定电流驱动LED，将会降低光输出，但也将延长光源的使用寿命。在需要高LED输出功率的应用中，有些终端使用者选择以高于资料表规格的电流驱动LED。以这种方式提高驱动电流，则可增加光输出，但也会带来牺牲性能的风险。

过热是一种常见的问题，它可能同时对LED的光输出和生命周期带来负面影响。由于LED的瞬态开关特性，可以周期性方式快速开启和关闭LED。在一般需要更高光输出的萤光应用中，经常采用工作周期(duty cycle)操作，以便更安全地提高LED电流。

工作周期定义为LED在一次周期中开启时间所占的百分比；其中，周期是指完成一次LED开-关循环所用的总时间。例如，以50%工作周期作业的LED，其开启和关闭时间恰好各占一半。图2显示不同驱动电流与工作周期的标准化光输出。

图2：在此我们看到不同工作周期对标准化光输出的影响，同时，LED的开启时间持续在500μs。标准化功率是相对于最大额定工作电流100mA时(加装合适散热片)光输出的相对光输出功率

以大电流驱动LED会影响LED结温，进而影响其使用寿命和光输出。最佳化工作周期可让增加的驱动电流对结温的影响降至最小，从而保护LED性能。图3显示工作周期对维持LED结温可能产生的影响。以5%的工作周期操作LED，可在对结温影响最低的情况下，使光输出(图2)提高三倍。

图3：图中显示不同工作周期对结温的影响，其中LED开启时间都是500μs

过度发热对于LED光输出和使用寿命带来负面影响。长期来看，发热会缩短LED的使用寿命。采用UVC LED设计时，热管理极其重要，因为相较于更长波长的LED，驱动UVC LED能量的更大部份被转化为热量。适当的热管理能使结温低于特定应用的要求，并保持LED的性能。除了被动和主动冷却方法，所选择的PCB也可以实现更佳散热。

图4：图中比较未使用散热片的FR4和Al PCB的热垫温度(a)；以及使用和不使用散热片的Al PCB的热垫温度(b)

FR4 由于其成本