如何选择紫外线LED光源来实现优异的杀菌设计

发光波长范围为200～400nm的LED被归类到紫外线发光二极管(UVLED)。这个波长范围又被细为三个波段，即波长为300～400nm的UV-A，波长为280～315nm的UV-B，以及波长为200～280nm的UV-C。UV-CLED特别适合用来杀菌，被认为可取代现有的低压汞蒸气灯。越来越多的LED光源和LED照明制造商正在供应UV-CLED产品。与采用汞蒸气灯的照明系统相比，评估基于LED的系统时，应考虑以下几个特性：

整体效率

就总体拥有成本而言，最重要的考虑因素之一是系统的整体效率。虽然汞蒸气灯可能具有更高的灯效率，但整体系统性能还要由其他几个因素决定。第一个是光谱响应。UV-C汞蒸气灯的光谱响应在大约185～254nm处达到峰值。这些都是无法调整的材料固定发光性能。研究表明，破坏微生物RNA和DNA的最佳波长约为265nm(如图1所示)。

图1：用消杀大肠杆菌效果作比较的低压和中压汞蒸气灯光谱响应。(图片来源：维基百科)

UV-CLED目前有包括265nm在内的几种不同波长的产品，因此可以优化照明系统的效率(图2)。

图2：用消杀大肠杆菌效果作比较的UV-CLED(265nm)光谱响应。

墙插效率

墙插效率被定义为输出发光功率与输入电功率的比值。目前，汞蒸气灯的墙插效率超过了基于UV-CLED的系统。然而，汞蒸气的寿命要短很多，因此会抵消这一优势。LED灯具寿命的一个普遍接受的指标是L70(发光性能退化到其初始值的70%所需的时间)。类似地，UV-C产品也用R70指标来表征。与可实现1万小时R70的LED产品相比，典型汞蒸气灯的R70在2～8千小时之间。

预热时间

在总体拥有成本方面，最后一个考虑因素是预热时间。汞蒸气灯的预热时间在1～5分钟之间。由于预热时间过长，人们一般会将灯长时间保持在通电状态。相比之下，UV-CLED和所有其他LED一样，可以无限次地瞬时开关循环，这意味着它们在环境需要时再打开使用也不迟。

不直接涉及拥有成本的其它因素还包括环境因素(有汞还是无汞)、物理尺寸(基于LED的产品可以小到足以能够装进汞蒸气灯无法进入的空间)、安全相关因素以及所需的输入电源(汞蒸气的电压高，而LED电压低)。

此外，在将一种UV-CLED照明系统与另一种UV-CLED照明系统进行比较时，也有一些因素需要考虑。如上所述，UV-CLED可以被设计成发射几乎任何波长的光。2020年发表在《新英格兰医学杂志》上的一篇文章提供了紫外线波长的杀毒效率曲线。不出所料，从265nm的最佳波长开始，杀毒效率随着阳性或阴性δ值的增加而降低。将该因子应用于给定产品的R70，可以更好地反映该产品在其预期寿命内的有效性。

产品的R70与LED裸片制造中使用的外延材料直接相关。一般使用由氮化镓、氮化铝镓或氮化铝组成的外延材料来生产UVLED。较高的铝含量意味着更短的波长和更低的寿命。因此，即使不含铝的LED在杀毒效率方面不太理想，但由于具有较高的R70，因此从长远角度看可以提供更好的总体性能。

说到R70，人们经常会看到由单个数字组成的R70规范，例如“R70=1万小时”。实际上，该规范这样表达是有缺陷的，因为它没有标注条件，既缺乏参考温度，又缺乏参考输入电流。与所有其他LED一样，UV-CLED的长期性能与LED裸片的结温成反比，也就是说，结温越高，LED的劣化速度就越快。结温取决于环境温度和输入电流。完整的R70规范应同时包括这两个参数，比如在25℃温度和100mA输入电流条件下，R70=1万小时。

在评估基于UV-CLED的产品时，最后一个考虑因素是这些产品所代表的范式转变。用于普通照明的LED灯具，由于其无穷无尽的形状、波长和颜色调节能力，以及易于与其他建筑系统集成的能力，因此改变了人们对光源应该是什么样子和做什么的全面性理解。由于人们对杀菌系统的实施越来越感兴趣，类似的转变即将在UV-CLED产品领域中发生。随着UV-CLED性能和灵活性的提高，在基础设施和其他环境下的各种新应用中，可能很快就会见到这方面的产品。

(参考原文：Considerations in the selection of UV LEDs for germicidal applications）

本文为《电子工程专辑》2023年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅