В самом начале пандемии сами-знаете-чего мне попалась на глаза новость о новой серии ультрафиолетовых UV-C светодиодов (с жестким ультрафиолетом).
Новость меня в тот момент удивила, потому что я как-то не задумывалась о том, что уже научились делать светодиоды с "бактерицидной" длиной волны.
В обеззараживателях в основном используются люминесцентные лампы с люминофором, задерживающим "ненужную" часть спектра, или ДРТ. А тут светодиоды... Захотелось узнать про них чуть больше :)
Для начала посмотрим на световой спектр...
Рассмотрим классификацию диапазонов ультрафиолета и их сферы применения:
- UVA, УФ-А (длинноволновой ультрафиолет, λ = 315-400 нм)
Сам по себе невидим нашему глазу, но при отражении от некоторых флуоресцирующих поверхностей становится виден.
Сфер применений у него куча: и проверка купюр, и поиск следов крови, и полимеризация лаков, красок, клеев, и подсветка аквариумных рыбок, и т.д., и т.п.
- UVB, УФ-B (средневолновой ультрафиолет, λ = 280-315 нм)
Более жёсткий, используется совместно с UVA в соляриях и в физиопроцедурах, так как заставляет организм вырабатывать витамин D и вроде как помогает при воспалительных заболеваниях кожи. В больших количествах вреден для глаз и кожи.
- UVC, УФ-C (коротковолновой ультрафиолет, λ = 120-280 нм)
Еще более злой ультрафиолет, убивающий бактерии и вирусы. Используется в обеззараживателях. Вреден не только для микроорганизмов, но и для более высокоорганизованных существ, так как обжигает кожу и сетчатку глаза.
- EUV/XUV (экстремальный ультрафиолет, λ = 10-120 нм)
Используется для фотолитографии (изготовления электронных чипов), фотоэлектронной спектроскопии (изучения валентных уровней и химических связей в веществах) и получение изображений Солнца (телескоп для экстремального ультрафиолетового излучения установлен на аппарате SOHO). Данный диапазон получают с помощью лазерной плазмы (что бы это ни было :), так что светодиоды тут и рядом не валялись.
Зато UVA, UVB, UVC LED вполне себе производятся.
Длина испускаемой светодиодом волны зависит от ширины запрещенной зоны его полупроводника: чем "фиолетовее" цвет светодиода, тем более широкозонный полупроводник надо использовать.
В светодиодах ближнего ультрафиолета (365-400 нм) используется полупроводник InGaN (нитрид индия-галлия). Для дальнего ультрафиолета (210-365 нм) - AlGaN (нитрид алюминия-галлия).
Линзы у УФ-светодиодов делают из кварцевого компаунда и силикона.
Бывают и такие сборки из нескольких кристаллов:
Поговорим немного о характеристиках:
Прямое падение напряжение составляет примерно:
- 3-7 В для UVA LED
- 5,5-10 В для UVB LED
- 5,7-12 В для UVC LED
Мощности имеют весьма широкий диапазон: встречается и мелочь с потребляемым током 15 мА и модули на 30 А. В Digikey почти половина UV LED находится в разделе "0,7-1 А".
Такая характеристика, как световой поток (измеряется в Лм) к УФ-светодиоду неприменима, так как его свечение человеческому взгляду невидимо. Поэтому его характеризуют потоком излучения (измеряется в Вт).
В магазине Digikey встречаются светодиоды с потоком излучения от 1 мВт до 20 Вт. Но мощные и стоят по 150 баксов. Ухх...
И тут надо сказать, что УФ-светодиоды ОЧЕНЬ неэффективные, особенно UVC: они превращают электричество в УФ-излучение с эффективностью примерно 1-3%.
Возьмем для примера свеженький UVC светодиод OSRAM (за рекламу мне никто не платил, к сожалению). По документации он гарантированно светит потоком в 4,7 мВт (да, да, милли Ватт!) при токе 30 мА и прямом падении напряжения 6 В. Тогда КПД:
η = 0,012/(0,030*6) = 2,6%
Негусто... А стоит он баксов 5, не меньше :)
UVA светодиоды гораздо эффективнее, например, вот модуль при номинальном токе 18 А выдает света на 19,5 Вт (в лучшем случае) при падении напряжения 3,4 В. Получается КПД около 32%, уже неплохо :)
Ну, и напоследок, преимущества УФ-светодиодов:
- Экологичны и легко утилизируются (не содержат ртути, в отличие от ДРТ и люминесцентных ламп)
- Меньше греются
- Компактные
- Не боятся ударов и падений, так как не стеклянные
- Простая схемотехника, можно запитывать от батарей
- Дольше живут (видела цифру от производителя в 30000 часов работы)
И недостатки
- Неэффективные (у ДРТ и люминесцентных ламп КПД > 20%)
- Очень дорогие (люминесцентные лампы и ДРТ стоят баксов 5, а мощи в них больше, чем у светодиода даже за сотню долларов)
Итак, пока что УФ-светодиоды слишком слабые и дорогие, чтобы ими что-то серьезно обеззараживать или загорать под их лучами...
Пока что они достаточно прочно обосновались в сферах, где большая мощность не нужна - УФ-фонарики, сушилки лака для ногтей и прочая декоративная подсветка.
УФ-светодиоды весьма молоды, те же UVC начали появляться только в 2010-х годах. Так что, в будущем, думаю, технологии разовьются, цены снизятся, и мощности возрастут. И постепенно светодиоды вытеснят как минимум люминесцентные лампы, как это уже произошло с подсветкой телевизоров и мониторов :)
Статья вышла уж слишком обзорная, но тут сложно чего-то нового рассказать... Принцип работы и схемы подключения такие же, как у обычных светодиодов, просто спектр свечения другой :)
Могу предложить почитать мои смежные статьи про светодиоды и подсветки: