Разработка светодиодной ультрафиолетовой лампы специального назначения в колбе Т8

Ю. А. Журавлева, Н. П. Нестеркина, Е. А. Кузнецов* *Национальный исследовательский Мордовский государственный университет, г. Саранск, Россия; e-mail: , ORCID:

e-mail: , ORCID:

В настоящее время светодиодные источники излучения (ИИ) благодаря их высокой энергоэффективности и большому сроку службы широко используются в различных областях экономики. Разработка светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, позволила создавать светодиодные УФ-ИИ специального назначения.

Разрядные источники УФ-излучения в диапазоне длин волн 315–400 нм – люминесцентные ультрафиолетовые лампы трубчатые (ЛУФТ) – применяются в медицине, промышленности, косметологии, криминалистике и банковском деле. Лампы специального назначения предназначены для работы в различных облучательных установках, использующих фотохимическое и биологическое действие ультрафиолетового излучения (например, приборах для фототерапии воспалительных кожных заболеваний, в частности псориаза (Николаева и др., 2014), получения искусственного загара; аппаратах для фотолитографии, фотополимеризации лакокрасочных покрытий (Heathcote, 2019); оборудовании для изготовления печатных плат и интегральных микросхем, а также исследования различных материалов и проверки ценных бумаг с помощью люминесценции).

Анализ характеристик светодиодов, излучающих в УФ-области спектра (Udhaya, 2016), позволил выбрать светодиоды, имеющие достаточную выходную оптическую мощность при длине волны 370 нм. Целью исследования являлась разработка светодиодного УФ-ИИ с максимумом интенсивности излучения, приходящимся на 370 нм, и энергетическим потоком, равным 700 мВт, предназначенного для замены ламп специального назначения ЛУФТ-10, имеющих низкую энергоэффективность и относительно короткий срок службы.

Материалы и методы

Исследование характеристик светодиодной лампы осуществлялось в лаборатории центра коллективного пользования "Светотехническая метрология" (Институт электроники и светотехники МГУ им. Н. П. Огарёва) ¹ . Измерения электрических характеристик, энергетического потока и спектра излучения выполнялись согласно ГОСТ ² в помещении с неподвижным воздухом при температуре (25 ± 2) °C, атмосферном давлении 101 кПа и относительной влажности не менее 70 % в условиях отсутствия дыма и пыли. Измерения проводились при номинальном напряжении сети на фотоколориметрической измерительной установке фирмы Gooch & Housego, содержащей фотометрический шар OL IS7600, многоканальный спектрорадиометр OL 770 UV/VIS, оптоволоконный кабель 770–7G–3.0, прецизионный источник постоянного тока OL410–200 PRECISION LAMP SOURCE (для питания вспомогательной лампы AUX LAMP A180), арматуру (для крепления ламп), компьютер (Микаева и др., 2012).

Результаты и обсуждение

В качестве источника излучения в разрабатываемой лампе была выбрана УФ-светодиодная лента с оптической мощностью одного SMD светодиода 65 мВт китайской компании LightingWill ³ . Характеристики светодиодной ленты представлены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики светодиодной ленты Table 1. Characteristics of LED strip

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	12
Мощность, Вт/м	4,8
Длина волны излучения, нм	370
Угол рассеивания, град	120
Диапазон рабочих температур, град	От –10 до +60

Количество светодиодов на ленте, необходимое для достижения заданного энергетического потока, определено по формуле

₌ Q л

Qcg где n – количество светодиодов, шт.; Qл – энергетический поток лампы, Вт; Qсд – энергетический поток одного светодиода; τ – коэффициент пропускания излучения колбы.

Для достижения энергетического потока в 700 мВт на отрезке светодиодной ленты длиной 248 мм размещены УФ-светодиоды в количестве 12 шт. Мощность, потребляемая светодиодной лентой, вычислена по формуле

P = P сд l ,                                                    (2)

Р = 4,8⋅ 0,248 = 1,19 Вт, где Р – мощность участка светодиодной ленты, Вт; Pсд – мощность 1 м светодиодной ленты, Вт/м; l – длина используемого отрезка светодиодной ленты, м.

Применяемый источник питания должен удовлетворять следующим требованиям:

– минимальное входное напряжение 207 В;

– номинальное входное напряжение 230 В;

– максимальное входное напряжение 253 В;

– частота питающей сети f _п = 50 Гц;

– напряжение на светодиодной ленте 12 В;

– мощность светодиодной ленты 1,19 Вт;

– ток, потребляемый светодиодной лентой, 100 мА.

В качестве источника питания использован драйвер на основе специализированного ШИМ-контроллера OB 2535 ⁴ .

Поскольку максимум УФ-излучения лампы должен приходиться на длину волны 370 нм, было выбрано увиолевое эритемное стекло СЛ97-3 (Dadonov et al., 2008; Коваленко и др., 2011). Из него изготовлена стеклянная трубка с внешним диаметром 26 мм, длиной 322 мм и толщиной стенки 1 мм. Коэффициент пропускания излучения в диапазоне длин волн 350–400 нм равен 0,9 (Чуркина и др., 2003).

В процессе сборки лампы для дополнительной электроизоляции на драйвер установлена термоусадочная трубка (рис. 1).

Рис. 1. Подключение драйвера

Fig. 1. Driver connection

Для точной ориентации источника излучения в облучательной установке и надежного электрического контакта в месте установки лампы в патрон применены пластиковые цоколи штырькового типа G13 (расстояние между электрическими контактами 12,7 мм). На внутреннюю поверхность цоколей нанесен клей марки Glue HMG-628H, после чего цоколи установлены на колбу так, чтобы насечки на них совпадали с осью светодиодной ленты (рис. 2).

Рис. 2. Установка цоколя Fig. 2. Base installation

Образец разработанной светодиодной УФ-лампы в колбе Т8 представлен на рис. 3.

Рис. 3. Светодиодная УФ-лампа в колбе Т8

Fig. 3. LED UV lamp in a T8 bulb

Габаритный чертеж на светодиодную лампу изображен на рис. 4.

Рис. 4. Габаритный чертеж на светодиодную лампу Fig. 4. Dimension drawing for LED lamp

В начале исследования было определено время стабилизации характеристик разработанной лампы (энергетического потока и мощности). График зависимости изменения энергетического потока лампы в течение времени стабилизации показан на рис. 5.

t, с

Рис. 5. Время стабилизации энергетического потока Fig. 5. Stabilization time of the energy flux

Время стабилизации энергетического потока и мощности светодиодной лампы составило 3 мин 25 с. В период стабилизации потребляемая мощность лампы изменялась в пределах от 1,35 до 1,51 Вт. В установившемся режиме мощность лампы составила 1,4 Вт, энергетический поток 705 мВт.

λ, нм

Рис. 6. Спектральное распределение излучения

Fig. 6. Spectral distribution of radiation

Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы:

• –    спектр излучения лампы находится в длинноволновой УФ-А-области с максимумом, приходящимся на 370 нм;

• –    полуширина полосы излучения 17 нм;

• –    максимальная спектральная плотность потока излучения равна 2,31 ⋅ 10 ^–2 Вт/нм;

• –    энергетический поток светодиодной лампы 705 мВт.

Разработанную светодиодную УФ-лампу можно сравнить с лампами специального назначения ЛУФТ ⁵ . В лампах данного типа используется редкоземельный фотолюминофор марки ФЛ-370. Фотолюминофор данного типа преобразует излучение резонансной линии ртути 253,7 нм в излучение с максимумом интенсивности в спектре ультрафиолетового излучения, приходящегося на длину волны 370 нм (рис. 7) (Девятых и др., 2007). Таким образом, спектральное распределение излучения светодиодной УФ-лампы является аналогичным лампе ЛУФТ-10.

Рис. 7. Спектральное распределение излучения ⁶

Fig. 7. Spectral distribution of radiation

В табл. 2 представлены характеристики разработанной светодиодной УФ-лампы и лампы ЛУФТ-10.

Таблица 2. Характеристики разработанной светодиодной УФ-лампы и лампы ЛУФТ-10 в колбе Т8 Table 2. Characteristics of the developed LED UV lamp and LUFT 10 lamp in a T8 bulb

Параметр	Светодиодная лампа	ЛУФТ-10
Мощность, Вт	1,4	10
Поток излучения (λ = 370 нм), мВт	705	700
Полуширина полосы излучения с длиной волны 370 нм, нм	17	20
Напряжение сети, В	230	230
Номинальный ток, А	0,006	0,230
Срок службы, ч	10 000*	2000
Длина, мм	344,2	344,2
Тип цоколя	G13	G13

Примечание. *Прогнозируемое значение с учетом срока службы светодиодов (Lee, 2015).

Заключение

Разработаная светодиодная УФ-лампа по энергетическому потоку с максимумом излучения при длине волны 370 нм и конструктивным параметрам является аналогом лампы ЛУФТ, выпускаемой на предприятиях промышленности. Светодиодная лампа потребляет в 7 раз меньше электроэнергии и имеет значительно больший (в 5 раз) ожидаемый срок службы. Разработанная лампа является более безопасным ИИ, поскольку не содержит в отличие от лампы ЛУФТ вредных паров ртути и ее соединений.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что разработанную светодиодную ультрафиолетовую лампу можно использовать взамен ламп ЛУФТ-10 для специальных целей, а именно в облучательных установках для проведения технологических процессов (фотохимических реакций, сушки, отверждения), для привлечения и дезинсекции насекомых в ловушках, в светокопировальных аппаратах.