LEDs Go Anti-Viral 2. rész – Gyakorlati megvalósítás

Az előző „LEDs Go Anti-Viral” cikkben
bemutattuk a szilárdtest esetén az UV-világítás fertőtlenítésre való alkalmazásának koncepcióját. Megvitattuk a hatásmechanizmusokat, figyelembe vettünk néhány alapvető képletet a meghatározott fertőtlenítési arányhoz szükséges UV-expozíció kiszámításához, kiemeltük a szilárdtest-világítású (SSL) UV-megoldások használatának számos előnyét néhány hagyományos módszerrel szemben, és végül vállaltuk, hogy egy ilyen koncepció az EBV Elektronik szakértőinek segítségével könnyen megvalósítható. Ebben a cikkben a gyakorlati megvalósításra összpontosítunk.

Az EBV Elektronik szakértői csapata több nagy félvezetőgyártóval, köztük az ams OSRAM, a Luminus, az Infineon + Cypress és az STMicroelectronics cégekkel együttműködve UV-C fertőtlenítő demonstrációs szetteket tervezett kis és közepes méretű tárgyak 99,9%-os (orvosi felhasználási esetekben magasabb) fertőtlenítésére.

A legkorszerűbb Luminus és ams OSRAM UV-C LED-ekkel felszerelt, 275 nm körüli hullámhosszon működő UV fertőtlenítési demonstrációs szettek minden típusú kórokozóval sikeresen megbirkóznak. A demoszettek néhány nem túl gyakran használt technikát is alkalmaznak, hogy lehetővé tudjanak tenni olyan egyedi funkciókat, mint például az automatikus expozícióbeállítás az észlelt tárgyfelület alapján vagy az UV LED teljesítményének ellenőrzése és kompenzálása, illetve a mikrobiális szennyeződések kimutatásának tanulmányozására való képesség a saját UV-A fluoreszcencia alapján UV-C gerjesztés mellett (UV-A detektálás). Ezek a funkciók, valamint a veszélyes UV-C szivárgás megakadályozására szolgáló számos beépített biztonsági intézkedések különböztetik meg ezeket a demonstrációs készleteket a piacon kapható hasonló megoldásoktól, bemutatva az UV SSL-megoldások és a legújabb érzékelési, vezérlési és energiagazdálkodási technológiák kombinációjának tervezési előnyeit.

A hardveres megvalósítás

Az UV-C fertőtlenítési bemutatószettnek két különböző mechanikai kialakítása létezik. Mindkettő ugyanazon a koncepción alapul, és ugyanazt az alaplapot használja. Mindkettőnek van azonban néhány gyakorlati előnye az egyes felhasználási esetekben. Az egyik bemutatószettet könnyen hordozható, dobozalakú fertőtlenítőkamrával ellátott táskára tervezték, és Luminus XBT-1313-UV vagy OSRAM OSLON^® UV3636 LED-ekkel van felszerelve. A Luminus LED-ek hatékony UV-C LED-ek, 270–280 nm-es csúcshullámhosszal, 150°-os emissziós szöggel és 4–6 mW körüli sugárzási fluxussal, standard 40 mA-es meghajtási feltétel mellett, de akár 100 mA-ig is túlhajthatók, ami 12 mW UV-C teljesítményt vagy még többet jelent. Ezek az ultrakompakt LED-ek 1,3 × 1,3 mm-es méretűek. Kompakt méretük, nagy hatékonyságuk, valamint az ESD-védelemmel ellátott robusztus csomagolás és a versenyképes ár tökéletes választássá tette őket a demonstrációs táska kisebb fertőtlenítőkamrájába.
A második demonstrációs összeállítás 300 mm átmérőjű, gömb alakú, nagyobb fertőtlenítési térfogattal és nagyobb teljesítményű OSRAM OSLON^® UV3636 Midpower, nagy teljesítményű UV-C LED-ekkel rendelkezik, amelyek maximális hullámhossza 275 nm, kibocsátási szöge 120° és sugárzási fluxusa 12 mW 100 mA mellett (SU CULCN1.VC). Ezeket a LED-eket AlGaN-alapú Flip Chip technológiával gyártják, robusztus, kerámiahordozóval, aranybevonattal és kvarcüveggel ellátott tokozásban. Az OSRAM OSLON^® UV3636 család tagjai pin-kompatibilisek, ezért lehetőség van az egyszerű „drop-in” cserére a különböző, 4,7 mW-tól a 42 mW-ig terjedő teljesítményosztályokkal.

1. ábra Az UV-C Demo Case és a Smart UV Sphere különböző megvalósításai, amelyek ugyanazon az elektronikai hardveren alapulnak. A gömb az elméletileg optimális optikai kialakítást valósítja meg, míg a táskák kényelmesebbek a mindennapi kezeléshez, bemutatáshoz és laboratóriumi kísérletekhez

Mind az ams OSRAM, mind a Luminus a piacon nagy hagyományokkal rendelkező, speciális SSL-megoldások (szilárdtest-világítás) elismert gyártói. Mindketten az UV-berendezések széles portfólióját kínálják, a rendkívül hatékony és kompakt, kis teljesítményű megoldásoktól kezdve – amelyek ideálisak a kisebb, akkumulátoros UV fertőtlenítőkhöz – egészen a sokkal nagyobb, több chipes, nagy teljesítményű megoldásokig – amelyek több mint 100 mW sugárzási fluxust képesek leadni, és hatékonyan elérik a megfelelő UV-C dózist még a sokkal nagyobb méretű kamrákban is. Az ams OSRAM és a Luminus legmodernebb UV-C LED-megoldásait választani tehát logikus döntés volt UV-szakértőink számára.

2. ábra A mikrobiológiai vizsgálatok azt mutatják, hogy a kezdeti beállításoknál
(1 perc alacsony intenzitáson) az E.Coli 99,9%-nál jobb mértékű csökkenése (más néven log 3 csökkenés) érhető el UV-C blokkoló burkolat nélkül, illetve UV-C blokkoló burkolattal a bal, illetve a jobb oldalon

Az UV-C fertőtlenítő bemutatókészüléke hordozható kialakítással és nagyfokú rugalmassággal büszkélkedhet. Mindkét változat két lítium-polimer (Li-Po) akkumulátorcelláról vagy közvetlenül az USB-C portról is táplálható. Az akkumulátor üzemanyag-szintmérő funkciója is megvalósult, amely az akkumulátor és a töltés paramétereinek, például a maradék energiának a leolvasását, továbbá a TFT-képernyőn való megjelenítését biztosítja.
Az akkumulátorkezeléshez és a tápellátáshoz szükséges összes alkatrész mellett további fontos elektronikai alkatrészek a LED-meghajtók, amelyek mindkét típusú UV-C LED-hez – kis teljesítményű (meghajtóáram < 100 mA) és nagy teljesítményű (> 300 mA) – jól alkalmazhatók. A bemutatókonstrukció egy közepes teljesítményű LED-meghajtóval rendelkezik, amely akár hat LED-sorozatot is képes meghajtani, soronként akár 130 mA (max. 150 mA) áramerősséggel. Ez az IC ideális az alacsony teljesítményű UV-C LED-ek meghajtására, mivel ezek névleges meghajtóárama csak 40 mA körül van. A második LED-meghajtó egy szinkron Buck/Buck-Boost LED-meghajtó, amelyet egyetlen nagy teljesítményű OSRAM SU CULDN1.VC vagy Luminus XBT-3535-UV LED nagy teljesítményű UV-C LED meghajtására használnak. Az előremenő áram egy fix ellenálláson keresztül körülbelül 250 mA-re van beállítva, bár a hardver még nagyobb áramerősséget (1000 mA-ig) is képes támogatni. Mindkét LED-meghajtó gazdag védelmi és biztonsági funkciókat is támogat, például rövidzárlat-érzékelést, hő- és túlfeszültség-védelmet, dedikált hibabejelentő kivezetéseket és még sok mást. A fényerőszabályozás PWM segítségével valósul meg.

3. ábra Az UV-C fertőtlenítő demonstrációs készlet blokkdiagramja

Egy másik lényeges alkatrész, amelyet érdemes megemlíteni, az AMS AS7331TC spektrális UV-érzékelő. Az AS7331TC az ams OSRAM által bejelentett vadonatúj UV spektrális szenzor tesztchipje, amelynek kalibrált optikai csatornáira a CMOS-eljárás részeként UV-interferencia-szűrőket alkalmaznak, így biztosítva, hogy a szűrők ne öregedjenek és ne drifteljenek az idő és a hőmérséklet függvényében. Az AS7331TC az UV-tartományt 238 és 415 nm között fedi le, és 10° alatti beesési szögek mellett három UV-sáv (UV-A, UV-B és UV-C) pontos mérését végzi külön-külön. A három 16 bites A/D átalakítóval és nappali fényt blokkoló szűrőkkel (VIS + NIR) ellátott gyors front-endnek köszönhetően az AS7331 gyors és rendkívül pontos leolvasást tesz lehetővé, még zord körülmények között is. Ezek a jellemzők tökéletes megoldást jelentettek az UV-C fertőtlenítő demonstrátorhoz, biztosítva a korábban említett összes fejlett funkció megvalósítását.
Az eszközt az STMicroelectronics STM32F401 mikrokontrollere vezérli. Ez az MCU az STM32Dynamic EfficiencyTM eszközcsalád része, amely a dinamikus energiafogyasztás és a feldolgozási teljesítmény legjobb egyensúlyát nyújtja, ami elengedhetetlen az akkumulátoros alkalmazásokhoz. Az MCU irányítja a zárt hurkú vezérlőrendszert, amely az UV-C sugárzást az UV-érzékelő adatainak megfelelően szabályozza. Emellett egy tiszta és intuitív felhasználói felületet bocsát rendelkezésre egy 3,5"-es TFT érintőképernyőn keresztül – lehetőséget adva a felhasználók számára az összes fertőtlenítési paraméter beállítására és felügyeletére.
A kialakítás különböző kiegészítő alkatrészeket, például LDO-kat, szintváltókat, DC-DC átalakítókat, stb. tartalmaz. Tartalmazza továbbá a TLE4913-at, az Infineon SC59 tokozatú mikro-teljesítményű Hall-kapcsolóját, amely biztonsági kapcsolóként működik, megakadályozva a veszélyes UV-C fény kiszivárgását, ha a fertőtlenítő készüléket működés közben hirtelen kinyitják.

Hogyan működik?

Az előző LEDs Go Anti-Viral című cikkben elmagyaráztuk az UV LED-ek maximális hullámhossza és élettartama közötti összefüggést. Arról is beszéltünk, hogy a legjobb kompromisszum a 270 és 280 nm közötti csúcshullámhosszúságú UV-LED-ek használata, mivel ezek nem igényelnek jelentős dóziskorrekciókat a 254 nm-es Hg (higany) csövekkel végzett, jól dokumentált esettanulmányokhoz képest. A 4. ábra a Hg-csövekkel végzett esettanulmányok szerint szükséges dózismódosításokat szemlélteti.

4. ábra Dóziskorrekció a hullámhosszváltozásra. A legtöbb tudományos
UV-C fertőtlenítési szakirodalom a Hg-csövek 254 nm-es emisszióján alapul.
A hullámhosszfüggő csíraölő hatékonyságot a CIE155-2003 határozza meg

A fertőtlenítési folyamat megkezdése előtt a kamrát először nullázni kell. Ezt az eljárást természetesen üres kamrával kell elvégezni, amelyben a teljes UV-C sugárzási fluxust az AS7331TC segítségével érzékeljük. A fertőtlenítendő tárgy behelyezése után a diffúz UV-C sugáráram megváltozik, mivel a legtöbb anyag az UV-C fény több mint 50%-át elnyeli. Az MCU az észlelt változások alapján meghatározza a tárgy felületét, és ennek megfelelően állítja be a fertőtlenítési paramétereket. Az észlelt felület nagysága megjelenik a TFT-képernyőn, a mJ/cm²-ben számított fertőtlenítődózissal és az észlelt felület fertőtlenítéséhez szükséges idővel együtt. A fertőtlenítési folyamat most már elindítható az érintésérzékeny TFT-képernyőn keresztül. A zárt vezérlés révén az MCU szabályozza, hogy mindig a megfelelő UV-C dózis kerüljön alkalmazásra.
A kamrának nagyfokú fényvisszaverő képességet kell biztosítania az UV-fény számára, hogy a becslések a lehető legpontosabbak legyenek. Míg az alumínium magas, akár 90%-os UV-reflexiós képességgel rendelkezik, néhány speciális anyag, például a porózus PTFE (politetrafluor-etilén) bevonat kedvezőbb, mivel sokkal nagyobb (akár 97%-os) reflexiós képességet garantál. A magas fényvisszaverő tulajdonság csökkenti az energiaveszteségeket is, és segít a kamra belsejében a homogén megvilágítás elérésében, ami nagyobb fertőtlenítési hatékonyságot eredményez. Ezenkívül a fertőtlenített tárgyat nem szabad szennyeződéssel vagy porral borítani, mivel ez megakadályozhatja, hogy az UV-fény elérje a tárgy felületét.
A fertőtlenítőkamra alakja szintén létfontosságú a homogén megvilágítás eléréséhez. E tekintetben a kamra gömb alakja kedvezőbb, mint a dobozalak, bár a sarkok lekerekítése jelentősen javítja a megvilágítás homogenitását. A fertőtlenítőkamrákat szorosan le kell zárni, hogy elkerülhető legyen az UV-C szivárgás, ami alacsonyabb fertőtlenítési hozamot és pontatlan méréseket okozhat. Végezetül az UV-C fény veszélyt jelent az emberi szervezetre, mivel az exponált szövetekben megbontja a DNS-molekulák kötéseit (hasonlóan ahhoz, amit a közönséges kórokozókkal tesz), és gyorsabb bőröregedést, szemkárosodást és bőrrákot okoz. A véletlen UV-C fényszivárgás elleni óvintézkedésként az UV-C Demo Case egy Hall IC kapcsolót használ, amely megszakítja a LED-ek áramellátását, és leállítja a fertőtlenítési folyamatot, ha a táskát a fertőtlenítési folyamat közben kinyitják.
A fertőtlenítési folyamat elindítása után a kijelzőn megjelenik a hátralévő idő, a dózismérő, a fertőtlenítés előrehaladása (százalékban) és az UV-fény intenzitása mindhárom UV-sávban: az UV-A, UV-B és UV-C sávban. Amint már említésre került, a fennmaradó mikrobiális szennyeződés kimutatása az UV-C gerjesztés alatti saját UV-A fluoreszcencia érzékelésével végezhető el.
Az UV-A sávban bekövetkező változások alapos nyomon követésével (pl. az AS7331TC érzékelővel) megbecsülhető a különböző kórokozók által okozott maradék szennyeződés. Az 5. ábra egy ilyen, több mikrobafajjal végzett esettanulmányt szemléltet, amelyet 280 nm-en csúcsosodó UV-C fénnyel történő besugárzás közben végeztünk
(forrás: http://journals.sagepub.com/doi/10.1366/000370209789806993).

5. ábra UV-A fluoreszcencia diagram: 280 nm-es UV-C sugárzással
besugárzott baktériumtenyészetek
(A kép forrása: https://doi.org/10.1366/000370209789806993)

Összefoglaló

Ha a világjárvány jelenlegi helyzete valamire megtanított minket, akkor az az, hogy a higiéniát nem szabad félvállról venni. Szerencsére a kollektív tudatosság elég magasra emelkedett ahhoz, hogy felismerjük, a kórokozók ellen minden eddiginél agresszívebben és intelligensebben kell küzdeni. Az UV-C fertőtlenítési bemutatók világosan illusztrálják az egyik ilyen innovatív és intelligens megoldás alkalmazásának előnyeit, amely nagyobb rugalmasságot és megbízhatóságot kínál, mint más, elterjedtebb módszerek. Az UV-C fertőtlenítési bemutatók a tudományra és a szakértelemre támaszkodnak – hogy kiszámíthatóan magas szintű fertőtlenítést eredményezzenek –, valamint az UV-A fluoreszcencián alapuló, maradék kórokozó-ellenőrzési elvre.
Az UV-C fertőtlenítési bemutatóeszközök nemcsak egy önálló készüléket képviselnek, amely nagy pontossággal és megbízhatósággal képes elvégezni a tárgyak felületi fertőtlenítését, hanem ezek egyben koncepcióbizonylatként és referenciatervként is tekinthetők, amelyek az ügyfél alkalmazásspecifikus követelményeinek megfelelően méretezhetők és további funkciókkal gazdagíthatók. Az EBV Elektronik világítástechnikai szakértőkből álló csapata készen áll arra, hogy átfogó támogatással segítse Önt a tervezésben: akár saját maga szeretne kísérletezni a leírt UV-C Demo Case készülékkel, akár saját fertőtlenítési teszteket szeretne végezni egy fejlett UV-érzékelő segítségével, akár csak a kórokozók elleni harc fegyverarzenálját szeretné bővíteni a kapcsolódó témák, például az UV-C, UV-A és TiO₂ fertőtlenítés ismereteivel.

LightSpeed szakértőink szívesen segítenek
Önnek projektje sikeres megvalósításában.
Győzzünk együtt!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Gnyálin István
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 34 96
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com