UV LEDによる除菌

UV sterilization device eliminating mites and germs
紫外線(UV)は、非接触型の効果的な消毒方法で、物質表面、水中、空気中に存在するCovid19を含む微生物、バクテリア、ウイルスのほとんどを死滅させることができます。短波長で高エネルギーの光子は、微生物の細胞内RNA/DNAを破壊し、ウイルスのゲノムにダメージを与えるフリーラジカルを生成して、病原体を迅速に死滅させます。この破壊・酸化効果により、紫外線消毒は非常に効果的で有用なものとなり、多くの場合、他の化学的または高温の消毒方法よりも有効なものとなります。

従来、短波長のUVA、UVB、UVC光は水銀ランプにより生成されていましたが、現在ではLED(発光ダイオード)技術を使用する方が、より効率的で環境に優しく安全です。水銀放電ランプは電力の約20%しか紫外線に変換できず、残りは赤外線として失われるので、狭い場所で使用すると熱が発生し不快です。また、非常に高い励起電圧で作動するため、特に湿気の多い環境では安全上の問題があります。有毒な水銀蒸気を含んでいるためリサイクルが難しく、壊れやすいという欠点もあります。
Electromagnetic spectrum with energy levels
図1:紫外光と可視光の電磁スペクトル
一方、UV LEDは、水銀放電ランプに比べて柔軟性が高く、堅牢で、耐湿性に優れ、低電圧で動作し、コスト面でも優れています。また、UVA(315-380nm)、UVB(280-315nm)、UVC(200-280nm)またはこれらの混合波長を発生させることができ、異なるタイプのLEDを選択することで、より簡単に調整することができるのも大きな利点です。

同じデザインのUVランプでも、MRSAなどの二次感染を治療するために、皮膚や目に有害な影響を与えず低線量の近可視光UVAを照射したり、RNA/DNA分子のピーク吸収波長である265nmに微調整して、ウイルスやバクテリアの複製を阻止する高強度UVCを照射したりすることができます。また、LEDは水銀灯に比べて調光しやすく、より正確な照射が可能です。
LED current-voltage graph
図2:典型的なパワーLEDの電圧/電流曲線。斜線部分が有効動作領域。
他の可視光ハイパワーLEDと同様に、UV LEDは定電流で駆動する必要があります。輝度は、LEDに加わる電圧ではなく、LEDを流れる電流に直接比例します。この曲線は常に非線形なので、定電圧で動作させた場合はLEDの順方向電圧がわずかに変化しただけでも、、LEDを流れる電流は大きく変化します(図2)。さらに、順方向電圧は温度によって変化し、その度合いは同じメーカーのLEDであっても個体差があります。

しかし、LEDが定電流で駆動されていれば、順方向電圧が変化しても全体の電流(つまり照度)は変わりません。LEDドライバーは、LED特性の変化やドリフトを自動的に補正し、光の出力レベルを一定に保ちます。これは、単一のLEDだけでなく、同じ電流を共有する複数のLEDチェーンにも当てはまります。

可視光LEDと紫外線LEDの主な違いは、動作電圧範囲です。350mAや700mAの可視光LEDは、通常、DC3〜4Vの順方向電圧で光り始めますが、よりエネルギーの高いUV LEDは、通常、DC5〜6Vの順方向電圧を必要とします。つまり、例えば5個の高出力LEDと350mAの定電流でLEDランプを組み立てる場合、同じ数の可視光LED用よりもUV LEDの方が高い電圧電源が必要になるということです(図3)。
LED lamp circuit diagrams
図3:可視光・紫外線5灯LEDの比較
高輝度LEDをストリングスで並列に動作させることは、ストリングスの各レッグの合計順方向電圧の違いにより各レッグに流れる電流が不均衡になるためお勧めできません。より高い輝度が必要な場合は、単純にLEDを直列に追加して、すべてのLEDの電流(輝度)が一定になるようにします。しかし、長いストリングを作るためには、より高い電源電圧が必要になるというデメリットもあります。

一方、順方向電圧が大きく異なっていても、すべてのLEDの定格電流が同じであれば、UV LEDと可視光LEDを同じストリングに混在させても構いません。これは、白色またはカラーLEDをチェーンに含めることで、UV LEDが作動していることを目に見える形で警告するのに役立ちます。また、LEDのビームパターンの広がりを明確に示すことで、アプリケーションの領域をより容易に確認することができます。

RECOMのRCDE-48-xxxは、あらかじめキャリブレーションされた最大出力電流350 mA、700 mA、または1050 mAと、最大DC60 Vの入力電圧(最大10個のUV LEDを駆動するのに十分な電圧)を提供します。RCDE-48シリーズは、非常に低価格でありながら、イネーブル/ディセーブルとしても使用可能な調光入力ピンを備えています(プルローで出力をオフにし、オープンのまま、またはプルハイでオンにします)。
出力電流はこの端子に印加された電圧に比例するため、外部制御電圧または手動の電位差計を用いて正確に電流を制御することができます(図4)。



図4:外部電圧による15~100%出力の調光制御
信号による調光制御も可能で、マイコンのGPIO端子を使って0~100%の高精度な調光が可能です(図5)。


図5:PWM 0-100%調光
また、RCDE-48のLEDドライバーは高効率(最大97%)であるため、バッテリー駆動の紫外線・可視光ランプを容易に構築し長時間使用することが可能です。

十分な機能を備えた主電源式UV殺菌灯は、50mm2以下のプリント基板上に、3つの低コストRECOM部品とシンプルなICタイマーを使って簡単に作成することができます(図6)。

  • RAC20-48SKは、AC85V~264Vのユニバーサル入力、ヒューズ・EMIフィルタ内蔵、DC48Vの安定化・短絡防止出力を備えた基板実装型AC/DC電源です。
  • RCDE-48-xxx基板実装型LEDドライバ(定電流出力、リニア調光/イネーブル入力、最大LED駆動電流350 mA、700 mAまたは1050 mA)。
  • R-78HE5.0-0.3は、DC48Vの電源電圧を300mAでDC5Vに効率よく落とすための基板実装型スイッチング・レギュレータ・モジュールで、ヒートシンクは不要です(リニア・レギュレータは、このような大きな電圧降下があると熱暴走する可能性があります)。

その回路ブロック図を以下に示します。



タイマーと輝度調整を備えた<50mm2のUVCランプ回路図


調光制御を必要としないUV殺菌アプリケーションでは、AC/DC定電流LEDドライバを使用することができます。RECOMは低価格で安全認証取得済の20W定電流LEDドライバを高さ13mmの超薄型パッケージで提供していますので、UVC LED基板とドライバの一式を、小型UVC照射チャンバーの天井に簡単に組み込むことができます。



図7:AC/DC薄型電源を使用したUVCチャンバー(推奨)。インターロックにより、ドアを開けたときにLEDがオフになり人体への影響がないようになっており、ドアのUVカットガラス窓から見える赤いLEDによりUVC殺菌が有効であることが視認できる。
アプリケーション
  Series
1 DC/DC, 1.5 W, Single Output, THT R-78HE-0.3 Series
Focus
  • Designed for 12V - 60V battery-powered apps
  • Wide input range (6.5V - 72V)
  • 100V surge withstand
  • -40°C to +105°C operation at 48V input, full load
2 AC/DC, 20.0 W, THT RAC20-K Series
Focus
  • Wide input range 85-264VAC
  • Standby mode optimized PSU (ENER Lot 6)
  • Ultra-high efficiency over entire load range
  • Operating temperature range: -40°C to +85°C
3 DC/DC, Single Output, THT RCDE-48 Series
Focus
  • Low cost buck LED driver
  • 6-60V input
  • Constant current output (350, 700 or 1050mA)
  • Digital PWM and analogue voltage dimming
4 AC/DC, Single Output, Screw Terminal RACD20-LP Series
  • Low profile case (13mm height max.)
  • 350mA to 700mA constant current outputs
  • Terminal block input/output with cable clamps
  • Fully protected (OLP, SCP, OCP, OTP)