UV-LED照明一體化燈具的研究與設(shè)計

胡才雙

(廣東隆源光電有限公司，廣東 中山 528415)

引言

《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》中明確提出，新型冠狀病毒(COVID-19)對紫外線和熱敏感。紫外線能通過破壞微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，使之失去復(fù)制功能，從而達(dá)到殺菌效果[1]。國際照明委員會(CIE)把紫外光分為三個區(qū)域:UVA(400～315 nm)、UVB(315～280 nm)、UVC(280～100 nm)。實驗表明：波長小于320 nm 的紫外輻射對微生物有殺傷作用, 且滅菌效應(yīng)在260 nm處最大[2]。目前來看，紫外殺菌技術(shù)有兩大技術(shù)產(chǎn)品，可分為：低氣壓紫外殺菌汞燈產(chǎn)品和深紫外LED產(chǎn)品。

1)紫外殺菌技術(shù)的分類。低氣壓紫外殺菌汞燈即傳統(tǒng)UV汞燈，其主波長是殺菌效率高的253.7 nm，輻射效率以18 W汞燈功率計算在23%以上[3]，其產(chǎn)品壽命約5 000 h，紫外線輻射強(qiáng)度會隨著燈具開啟次數(shù)和點(diǎn)亮?xí)r間的增加而降低[4]。雖然，現(xiàn)階段以UV汞燈為代表的第一代紫外光源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，但是其存在諸多缺點(diǎn)，如體積大、功耗高、壽命短、含有汞等，UV汞燈的光譜分布寬，而紫外光譜段只占其中一部分，因此效率較低[5]。

深紫外LED產(chǎn)品即UVC-LED，其應(yīng)用于殺菌消毒的主波長是275～280 nm，使用壽命通常能超過20 000 h，是傳統(tǒng)UV汞燈的5倍以上，且體積小，啟動速率快，無需預(yù)熱，光線能量集中，便于智能控制，能夠配合不同需求設(shè)計，適用于廣泛的應(yīng)用場景，相較于UV汞燈具有更高的應(yīng)用彈性[4]。

目前UV-LED與傳統(tǒng)UV汞燈最大的差距仍在于光功率，若要提升光功率則必須增加LED數(shù)量，成本也會因此提高。當(dāng)然，需要看到的是，這種差距正在一步步縮小。近年來，LED的功率大幅度提高，成本顯著降低，散熱問題日益改善，正逐漸取代傳統(tǒng)UV汞燈。更重要的是，UV-LED不含汞，更具有環(huán)保、高效、節(jié)能、壽命長、熱損失較少等優(yōu)點(diǎn)，隨著UV-LED的技術(shù)進(jìn)步與功率提升，其發(fā)展與取代勢頭不可阻擋[6]。

2)UV-LED的應(yīng)用前景。2016年4月中國宣布加入世界環(huán)境《水俁公約》，按照公約要求，近140個締約國被要求自2020年開始禁止生產(chǎn)及進(jìn)出口含汞產(chǎn)品，此公約也促使各家廠商加速推進(jìn)UV-LED的研發(fā)與生產(chǎn)。因此，研發(fā)新型技術(shù)產(chǎn)品全面取代傳統(tǒng)UV汞燈，是勢在必行的事情。長期來看，UV-LED作為紫外線光源將成為未來的市場主流。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018—2023年全球UV-LED市場的復(fù)合增長率達(dá)到27%，預(yù)計未來五年國內(nèi)UVC-LED殺菌消毒應(yīng)用市場規(guī)模將達(dá)千億級[7]。

1 UV-LED燈具應(yīng)用中存在的問題研究

UV-LED存在著與普通LED不一樣的用途和應(yīng)用要求，所以UV-LED燈具的應(yīng)用如材料、結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計等也存在不同的考量和設(shè)計方案，UV-LED燈具應(yīng)用面臨的主要問題和對策方案如下：

1.1 UV-LED的排列方式

對于UV-LED的排列方式的選擇和設(shè)計應(yīng)基于以下兩個方面的考量：

1)UVC-LED能發(fā)揮紫外線的殺菌作用，但它屬于不可見光，肉眼看不見或呈現(xiàn)很微弱的光，用戶體驗感不強(qiáng)；

2)研究人員在利用UVC：272 nm 和UVA：365 nm分別對白念珠菌和大腸桿菌進(jìn)行殺滅實驗時發(fā)現(xiàn)，UV-LED的脈沖輻照對細(xì)菌的殺滅能力明顯高于傳統(tǒng)UV汞燈的連續(xù)輻照，這主要得益于高強(qiáng)度脈沖輻照可以更有效破壞微生物 DNA 結(jié)構(gòu)并阻止其修復(fù)[8]，這提示UVA+UVC LED殺菌效果優(yōu)于傳統(tǒng)UV汞燈。

對策方案：采用UVC+UVA雙芯片設(shè)計方案，如圖1所示，單顆器件內(nèi)含三個不同類型的芯片，分別為UVA-LED/UVC-LED/齊納管，其中齊納管用于為UVC-LED提供ESD防護(hù)。UVA可以呈現(xiàn)可見光范圍內(nèi)的藍(lán)光和紫光，這樣可提醒使用者所處的環(huán)境是否開啟了紫外燈，從而防止紫外線對人體的傷害，增強(qiáng)了用戶的使用體驗感，而且UVA-LED的高速調(diào)制特性有助于脈沖殺菌。

圖1 UVC-UVA雙芯片F(xiàn)ig.1 UVC-UVA dual chip design scheme

按照目前市場上提供的UVC+UVA雙芯片的電性參數(shù)，一般UVC-LED的工作電壓為5～8 V，波長在275 nm左右，而UVA-LED的工作電壓為3.0～3.3 V，波長在370 nm左右；所以，必須解決光源板的電源轉(zhuǎn)換問題，其電子線路設(shè)計如圖2所示，通過UV-LED和電阻R的串并聯(lián)的電路設(shè)計解決電流一致性問題。

圖2 UV-LED光源板電子線路Fig.2 UV-LED light source board electronic circnit

1.2 UV-LED的穿透性

應(yīng)用現(xiàn)狀：UV-LED穿透性不強(qiáng)，對光線穿透不了的物體內(nèi)部和被覆蓋的部分，沒有明顯的滅活效果[9]。

對策方案：UV-LED發(fā)光通常需要使用石英玻璃或其他對紫外線高透光率的玻璃材料，才可以起到殺菌消毒的作用。所以，不可以用常規(guī)PC罩和普通玻璃罩去防護(hù)UV-LED光源板，這樣阻隔了紫外線的照射，但像石英玻璃這類材料不方便加工，或使用起來成本太高?？紤]到這些因素，可以設(shè)計一個燈具結(jié)構(gòu)，UV-LED光源板可以裸放在燈體上，再設(shè)計一個PC格架壓貼光源板，既可保護(hù)LED燈珠，也可以減少外觀上的突兀，在保證美觀的同時減少對紫外線的阻隔，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 UV-LED燈體結(jié)構(gòu)Fig.3 UV-LED lamp structure

1.3 紫外線的危害性

應(yīng)用現(xiàn)狀：紫外線會對人體皮膚、眼睛、中樞神經(jīng)等造成永久傷害[2]，所以，人們不應(yīng)將自己暴露在紫外線下。

對策方案：把感應(yīng)器件及其控制方案應(yīng)用于燈具電路控制系統(tǒng)，從而智能控制使用場所的紫外線燈具的使用狀況，其電子線路設(shè)計如圖4所示。

圖4 感應(yīng)器控制電路圖Fig.4 Sensor control circuit diagram

其工作原理如下：

1)當(dāng)有人在時，可以通過微波感應(yīng)器自動關(guān)閉紫外線燈具；

2)當(dāng)人離開時，可以自動點(diǎn)亮UV-LED進(jìn)行殺菌消毒；

3)在白天時，有太陽光或室內(nèi)正常照明，可以開啟光控器，紫外線燈具不工作；

4)在晚上時，可以關(guān)閉光控器，智能啟動紫外線進(jìn)行殺毒;

5)可以根據(jù)使用場所的需要，聯(lián)控設(shè)置微波與光控，對上面四種情況進(jìn)行組合使用；

6)可以根據(jù)場所環(huán)境的需要自行設(shè)定點(diǎn)亮?xí)r間。

2 UV-LED照明一體化燈具的設(shè)計研究

UV-LED照明燈具的應(yīng)用和設(shè)計除了第1節(jié)討論中所面臨的主要問題和對策方案外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)紫外線消毒燈與照明燈開關(guān)相同并相鄰，經(jīng)常導(dǎo)致誤開誤用紫外線消毒燈，對人體造成傷害的事件時有發(fā)生[10]。所以，在現(xiàn)實環(huán)境中，一般分開設(shè)置消毒燈與照明燈的開關(guān)，并加上醒目的警告標(biāo)志，由專人對紫外線燈的電源進(jìn)行統(tǒng)一控制，導(dǎo)致操作不便，人員效率低下。本節(jié)主要討論UV-LED照明燈具的一體化設(shè)計和安全性操作。

2.1 UV-LED照明燈具的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

1)可利用鏈接式一體化燈具的設(shè)計方案，如圖5所示，鏈接燈管的個數(shù)和長度，可以形成多個組合，且可以任意變化角度和形狀，如圖6所示。

2)將照明燈管與UV-LED燈管共同鏈接在一起，實現(xiàn)UV-LED照明燈具的一體化設(shè)計如圖7所示，同時可以任意設(shè)計鏈接照明燈管或UV-LED燈管的個數(shù)和長度，按需定制。

圖5 鏈接式一體化燈具結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Linked integrated lamp structure diagram

圖6 鏈接式一體化燈具結(jié)構(gòu)變化圖Fig.6 Linked integrated lamp structure change diagram

圖7 LED照明與殺菌一體化燈具的結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of integrated LED lighting and sterilization lamps

2.2 UV-LED照明燈具的安全操作性的電路設(shè)計方案

在UV-LED照明燈具的一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用微波感應(yīng)、光控功能、延時電路和應(yīng)急電源的工作原理，構(gòu)建照明與殺菌一體化的工作模式，避免LED照明與紫外殺菌的同步工作，造成安全事故。其總體電路的設(shè)計方案如圖8所示。

圖8 LED照明與殺菌一體化燈具的電路設(shè)計框圖Fig.8 Circuit design block diagram of integrated LED lighting and sterilization lamps

其工作原理如下：

a.當(dāng)人走進(jìn)工作場所，打開電源面板開關(guān)時，微波感應(yīng)啟動——工作狀態(tài)，照明燈具點(diǎn)亮，紫外燈具關(guān)閉，同時，在光控電路控制下，照明燈具亮?xí)r紫外燈具熄，實現(xiàn)雙重控制，確保工作安全；另外，應(yīng)急電源處于啟動——充電狀態(tài)。

b.當(dāng)人中途離開工作場所時，微波感應(yīng)啟動-關(guān)閉狀態(tài)，照明燈具熄滅，延時電路工作，可任意設(shè)定延時時間，在延時了規(guī)定時間后，點(diǎn)亮紫外燈具進(jìn)行殺菌，可按設(shè)計要求任意設(shè)定殺菌時間；當(dāng)人中途再回到工作場所時,微波感應(yīng)啟動-工作狀態(tài)，工作原理如a。

c.如果人離開工作場所，且關(guān)閉電源面板開關(guān)，則照明燈具熄滅，應(yīng)急電源啟動——供電狀態(tài)，點(diǎn)亮紫外燈具進(jìn)行殺菌，可按設(shè)計要求任意設(shè)定殺菌時間；在中途有人返回時，微波感應(yīng)啟動-工作狀態(tài)，紫外燈具熄滅。

2.3 基于鏈接式一體化燈具的管控技術(shù)實現(xiàn)的產(chǎn)品功能

利用鏈接式一體化燈具可擴(kuò)展、可變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計，搭配智能控制電路，可將LED照明與UV-LED殺菌兩者完全合二為一，成為一個獨(dú)立的燈具系統(tǒng)，同時實現(xiàn)以下產(chǎn)品功能：

1)LED殺菌的設(shè)計呈現(xiàn)智能、安全、可靠和多重控制，可以防范UVC-LED對人體的傷害；

2)產(chǎn)品照明與智能殺菌功能相對獨(dú)立，為模塊化設(shè)計，可完美任意整合為UV-LED照明一體式燈具，亦可分離為獨(dú)立的一組照明燈具或一組紫外殺菌燈具；

3)產(chǎn)品為鏈接化設(shè)計，單個燈具可大角度自由旋轉(zhuǎn)，變換各種各樣的造型，簡約而不簡單，是一款集裝飾、LED照明與UV殺菌為一體的燈具；

4)可自由而靈活地調(diào)整照明燈具與紫外殺菌燈具的鏈接數(shù)量、長度和功率，可滿足客戶不同照明場所的照明及殺菌需求。

3 結(jié)束語

UV-LED照明是近年來照明行業(yè)及市場細(xì)分的一個新的重點(diǎn)領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于光固化、凈化、消毒、刑偵、探傷等行業(yè)，正成為全球LED研究和投資的新熱點(diǎn)。本文研究開發(fā)的UV-LED照明一體化燈具，從芯片結(jié)構(gòu)、LED線路、燈體結(jié)構(gòu)、控制線路等方面進(jìn)行針對性設(shè)計，并且采用鏈接式一體化方案，便于任意設(shè)計，按需定制，旨在創(chuàng)新應(yīng)用UV-LED，為UV-LED照明的推廣使用起到催化作用。隨著照明行業(yè)整體技術(shù)的進(jìn)步和全社會對健康、衛(wèi)生、安全意識的覺醒，UV-LED照明一體化燈具正步入了一個快速發(fā)展的階段；隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)的升級與完善，UV-LED照明一體化燈具將全面地保障人們的健康和安全。