紫外线LED消毒设备中的电源

2021-7-16
紫外线消毒设备（可去除螨虫和病菌）
紫外线 (UV) 辐射照射是一种有效的非接触式消毒方法，可杀死大多数在表面、水中和空气中的微生物、细菌和病毒，包括Covid-19新冠病毒。短波长、高能量的光子破坏微生物细胞的 RNA和DNA，也会产生自由基来破坏病毒的基因组，引入缺陷以快速杀死病原体。正是这种破坏和氧化作用使UV消毒如此实用且有效，在许多情况下比任何其他化学或高温消毒方式更合适。
之前使用汞灯会产生短波长 UVA、UVB 和 UVC 光，但现在为了更高效、更环保且更安全而使用 LED（发光二极管）。汞灯仅将大约 20% 的电能转化为UV辐射，其余的则以红外线辐射的形式损失，这使得它们在密闭空间使用时让人很热且不舒服。它们还以非常高的激励电压运行，特别是在潮湿的环境中会是一个安全隐患。再加上因为汞蒸气有毒让汞灯难以回收，不但易碎还容易损坏。

带有能级的电磁波谱
图1：UV和可见光的电磁光谱
另一方面，UV LED比汞灯更灵活、更坚固、不受湿气影响、可在较低的电压下工作而且更具成本效益。另一个大优势是能够选择不同类型的 LED来轻松调整，产生 UVA (315-380nm)、UVB (280-315nm) 、 UVC (200-280nm) 或不同波长的搭配组合。

因此，相同设计的UV灯可用低剂量几乎可见的 UVA 辐射来治疗继发性感染如耐甲氧西林金葡菌 (MRSA)，而不会对人体皮肤或眼睛造成有害影响。UV灯也能消除空气或供水的污染物，或作为高强度 UVC 源以阻止病毒或细菌复制，将其微调至对RNA/DNA 分子作用力最强的265nm最大吸收波长。LED容易调光，给的剂量比汞灯来得更加准确。
LED 电流-电压图表
图2：典型功率LED的电压/电流曲线。阴影区为有效运作区域。
与所有大功率 LED 一样，UV LED 应由恒流源驱动。光亮度与通过 LED 的电流成正比而非施加的电压。曲线是非线性的，如果 LED 由恒压源供电，即使 LED 正向电压只有微小的变化也会显著改变通过它的电流（图 2）。此外，正向电压会随温度变化也会在各个 LED 之间有所不同，即使LED出自于同一个制造商。

如果 LED 由恒流源驱动，正向电压的任何变化都不会改变总电流（也就是照度）。LED 驱动器会自动补偿 LED 特性的任何变化或漂移，保持光的输出水平不变。单个 LED 或多颗串联 LED 都是如此。

可见光 LED 和UV LED 的主要区别在于工作电压范围。350 mA 或 700 mA 的可见光 LED 通常以 3-4 VDC 的正向电压开始发光，但能量更高的 UV LED 通常需要 5-6 VDC 的电压。这意味着如果您想组装一个具有五个大功率 LED 和 350 mA 恒定电流的 LED 灯，那么您需要为 UV LED 提供比相同数量的可见光 LED 更高电压的电源（图 3）。
LED 灯电路图
图3：5 个可见光LED或UV LED 灯串之比较
我们不建议高亮度 LED并联在一起因为每个灯串，总的正向电压的差异会导致流过并联灯串中的电流不平均。如果需要更亮的照明，只需串联更多的 LED即可，让每个 LED 的电流（也就是亮度）保持恒定。缺点是颗数多灯串需要更高的电源电压。

另一方面，只要所有 LED 具有相同的额定电流，即使它们具有非常不同的正向电压也可以在同一串中混合使用UV和可见光 LED。在灯串中加入白色或彩色 LED可以作为 UV LED 导通的可见提示，清楚显示 LED 光学器件的光束分布，更容易看到应用领域。

RECOM 提供的 RCDE-48-xxx 系列具有 350 mA、700 mA 或 1050 mA 最大输出电流和高达 60 VDC 输入电压（足以驱动多达 10 个 UV LED）。除了成本极低之外，RCDE-48 系列还有一个调光输入引脚，也可用来启用或禁用（拉低以关闭输出，保持开路或拉高以开启）。

输出电流与施加到该引脚的电压呈线性关系，因此可以通过外部控制电压或手动控制电位器精确控制输出电流（图 4）：

带电压源的调光控制电路

图4：使用外部电压进行15-100% 输出调光控制
此外，可以使用 PWM（脉宽调制）信号控制调光，使用微控制器 GPIO 引脚进行非常精确的 0-100% 调光（图 5）：

输出电流与脉宽调制调光关系 0%-100% 脉宽调制（PWM）调光
图5：PWM 0-100%调光
RCDE-48 LED 驱动器的效率极高（高达 97%），因此可以轻松建构长时间运作的电池供电便携式UV灯和可见光灯。只需使用三个低成本 RECOM 组件和一个简单的 IC 计时器即可在小于 50mm2 的PCB上（图 6）建构出功能齐全的电源供电UV消毒灯，其中包括：

  • RAC20-48SK 板载 AC/DC 电源，具有 85 VAC 至 264 VAC 的通用输入、内置保险丝、EMI 滤波器和防短路48 VDC稳压输出。
  • RCDE-48-xxx 板载 LED 驱动器，具有恒定电流输出、线性调光、使能输入以及LED 驱动最大电流为 350 mA、700 mA 或 1050 mA。
  • R-78HE5.0-0.3 板载开关稳压器，输出电流为300mA，无需散热器即可将 48 VDC 电源电压有效地降至5 VDC（线性稳压器可能会有发热）。

电路框图如下图所示：

具有定时器和强度控制<50mm<sup>2</sup>的UVC 灯电路图

图6：具有定时器和强度控制<50mm²的UVC 灯电路图

针对不需要调光控制的UV消毒应用，可以使用 AC/DC 恒流 LED 驱动器。RECOM 提供低成本、安全认证的 20W 恒流 LED 驱动器，高度仅 13 毫米，因此 UVC LED PCB 和驱动器可以完整且轻松地安装到小型 UVC 照射室的天花板上：

UVC 室使用薄型 AC/DC电源（建议）

图 7：UVC 室使用薄型 AC/DC电源（建议）。 联锁装置可确保在门打开时关闭 LED以避免人体暴露。透过门上的防UV玻璃窗看见红色 LED亮起代表正在进行UVC 消毒。
应用
  系列
1 DC/DC, 1.5 W, Single Output, THT R-78HE-0.3 Series
重点
  • 专为 12 V - 60 V 电池供电应用设计
  • 宽输入范围 (6.5 V - 72 V)
  • 100 V 浪涌耐受
  • 48 V 输入、满载情况下的工作温度范围为 -40°C 至 +105°C
2 AC/DC, 20 W, THT RAC20-K Series
重点
  • 宽输入电压范围 85-264 VAC
  • 待机模式优化的电源单元（欧洲生态设计指令第 6 部分）
  • 在整个负载范围内效率极高
  • 宽工作温度范围：-40°C 至 +85°C
3 DC/DC, Single Output, THT RCDE-48 Series
重点
  • 低成本降压 LED 驱动器
  • 6-60 V 输入电压
  • 恒定电流输出（350、700 或 1050 mA）
  • 数字 PWM 和模拟电压调光