UV放射は、可視スペクトルのすぐ下にある10 nmから400 nmまでのかなり広いスペクトルで構成されています。そしてUVランプと LEDについて 硬化、材料検査、日焼けなどさまざまな用途がありますが、ほとんどの消毒用途では200 nm ～ 400 nmの範囲が使用されています。UV技術を搭載した機器の多くは殺菌専用に開発されています。そこで、設計手法とともに課題や考慮事項、そしてそれが病気の蔓延を最小限に抑えることにどのような大きな影響を与えたかを見てみましょう。
UV-C技術の簡単な歴史
紫外線は19世紀初頭から認識されてきましたが、番目 21世紀に発見されたが、約80年経って初めて、特定の条件下では短波長の光 (約250 nmで最も効果的であることが判明) によって細菌を殺すことができるということが発見された。この範囲は一般にUV-Cとして知られており、一定の強度と露出レベルでは、重要な核酸を除去し、DNAとRNAの構造を無効にすることで微生物を殺します。
この消毒方法は、廃水処理、空気ろ過と浄化、食品の消毒、医療機器の一般的な殺菌など、さまざまな健康関連の用途に使用されてきました。UV-C光は、病院環境で見つかる最も一般的な細菌の1つであり、年間15,000人もの死因となっているクロストリジウム・ディフィシルなどの細菌を殺します。多くの良い特性があるにもかかわらず、UV-Cには、特に人間の皮膚や目の周囲ではいくつかの危険が伴います。
最近では、個人使用向けのUV-Cベースの製品の設計に関心が集まっていますが、これらの危険性により、承認されたデバイスの販売は困難になっています。この特定の波長は、人体への健康被害に加え、プラスチックや断熱材を含むいくつかの材料の化学結合を分解するため、軽減しなければならない悪影響が数多くあります。それはさておき、この光を生成するLEDとランプ、そしてそれがどのように制御されるかを詳しく見てみましょう。
UV-C技術の駆動と制御
UV-C LEDは、ほとんどの場合、通常のLEDと同じように動作しますが、波長がはるかに短いためバンドギャップエネルギー (伝導/価電子バンドギャップ全体で電子を励起するために必要な最小エネルギー) が高いため、順方向電圧がはるかに大きくなります。通常、波長が長くなると、光を放射するために必要なエネルギーの量も大きくなります。
小型のハンドヘルド デバイスに高い電圧を供給するのは面倒な作業であり、昇圧コンバータが必要になります。幸いなことに、LEDの制御は、調光や明るさ/強度の調整を含め、同じように機能します。これにはさまざまな方法があり、 MOSFET ドライバ、電流制限抵抗器、および順方向電圧に加えて若干の余裕を考慮して十分に高い電圧源が必要です。
この例は、 図1、 これは、TTLインターフェイスを可能にするMOSFETドライバー、NチャネルMOSFET、LED用接続、および焼損を防ぐためにLEDに流れる最大電流を制限する電流制限抵抗器で構成されています。
図1: 順方向電圧6.5 V @ 500 mAのUV LEDのLED駆動および調光回路
この方法は、LEDを駆動および制御するために必要な最小限のものを提供します。ただし、追加の保護が必要で、電源管理が必要な場合は、専用のLED駆動IC ( STMicroelectronics のLED6000 ICなど、 図2 に示す) を使用すると、特に高電力アプリケーションの場合にはコストに見合う価値があります。
図2: STMicroelectronicsのLED6000 LED駆動ICのブロック図 (画像: STMicroelectronicsのデータシート「LED6000」)
通常、入力電圧に比例したトルク/速度を提供するDCモーターとは異なり、LEDの明るさは電流に比例します。前述の両方の回路方式 (MOSFETとLEDドライバIC) に共通するのは、いわゆる「定電流」構成でLED全体の電流を制御する手段を提供していることです。LEDが熱くなると、順方向電圧が低下し、適切に制御または制限されていない場合はLEDを流れる電流が増加します。場合によっては、熱暴走による故障につながる可能性があります。
コストの違いを理解する
さて、UV-C LEDは非常に単純で、他のほとんどのLEDアプリケーションと似ていますが、コストはどうでしょうか?UVランプはもっと安い選択肢ではないでしょうか?
ちょっと調べてみると、殺菌専用の波長を持つ高出力UV LEDは、標準的な高出力LEDよりも最大10倍から20倍も高価になる可能性があることがわかります。UVランプは安価ですが、この技術の寿命は通常LEDの4分の1しかありません。さらに、ピーク強度が低いときにはるかに広い周波数スペクトルを放射するため、露出に長い時間が必要になります。また、照射時間が大幅に短縮されるため（場合によっては、同じ消毒に必要な時間の10分の1）、有害な放射線が少なくなり、アプリケーションははるかに安全になります。
UV LEDは長期的な経済的利点と安全上の利点により、ほぼすべての主要アプリケーションでUVランプに取って代わっていますが、UVランプの駆動方法は非常に興味深いものです。図3 は、1.1Wの放射定格の典型的な殺菌用UVランプを示しています。
図3: フィリップスTUV PL-S殺菌UVランプ (画像: フィリップスのデータシート「TUV PL-S」)
通常、高電圧DCランプを次のように駆動する方法は2つあります。
- 1. 整流、フィルタリング、および変圧器を使用して標準のAC電圧入力から降圧します。
- 2. 低いDC電圧からランプの電圧レベルまで昇圧し、ランプ ドライバーまたはバラスト コントローラーICで制御します。これにより、通常、調光、有効化/無効化、より優れた出力保護および調整など、コントローラICに付属する追加の利点が得られます。
高電圧ランプを駆動するために使用されるランプ ドライバIC (UCC2973) の例を、 図4 に示します。このICが提供する機能には、ランプ電流の制御と調光、トランスの過電圧保護、プログラム可能な起動遅延、フィードバック制御のPWM駆動ステージなどがあります。
図4: Texas InstrumentsのUCC3972/3バラスト コントローラICのアプリケーション回路 (画像: Texas Instrumentsのデータシート「BiCMOS冷陰極蛍光ランプ ドライバ コントローラ」)
一部の用途ではランプの方が適しているかもしれませんが、幅広い利点があるため、近い将来にはUV LEDがランプに取って代わっていくと言われています。LEDのもう1つの利点は、発熱量が大幅に少なく、熱管理が容易なことです。高出力UV LED (通常はPCBに取り付けられます) の場合、接合部で発生する高熱を放散する方法は多数あります。金属コアPCB (MCPCBと呼ばれる) や ヒートシンク などを組み込むと、ダイオード自体の熱が大幅に減少し、高電流アプリケーションでは一般的な方法です ( 図5 を参照)。
図5: UV高出力LEDスターPCBAの例 (画像: LEDSupply)
UV-Cアプリケーション
図5では、強度を高めるために3つのLEDの小さなアレイが使用されていることに注目してください。実際、一部のアプリケーションでは、LEDを大型パネル状に配置して、より高い強度値を実現し、露出時間を短縮し、消毒の面で均一な分布を実現します。高出力UV LEDソリューションを専門とする企業であるViolumasは、消毒、浄化、園芸などのさまざまなアプリケーション向けに、チップオンボード (COB) ソリューションと標準またはカスタムのライトバーおよびアレイ オプションを開発しています ( 図6 を参照)。Violumasの3パッド フリップチップ テクノロジーは、接合部温度を下げ、より高い駆動電流での最大光出力を増加させるのに役立ちます。
図6: 12 × 1 UVライト バーとViolumasの3パッドLEDフリップチップ技術の図 (画像: Violumas)
Aquisense Technologiesは、PearlAqua（参照）などの主に消毒用の製品やアプリケーションにUV LEDを組み込むインテグレーター企業です。 図7) は、交換可能なUV-C LEDモジュールを搭載し、1年強持続する世界初の水殺菌システムの1つです。
図7: AquisenseのPearlAquaモジュール (画像: Aquisense)
Atlantic Ultraviolet Corporationは1963年以来UVベースの殺菌製品を提供しており、殺菌UVランプを専門としています。同社の最新製品である「Sanidyne」は、8つのUV-Cランプを備えたポータブルエリア消毒装置で、病院、研究室、および特別なレベルの消毒が必要な空き部屋や建物での使用を想定しています。このソリューションは、約254nmの紫外線を空気と露出面に照射し、サイズと出力レベルが異なるいくつかの異なるモジュールで提供されます（ 図8）。
図8: Sanidyne UVポータブルエリア消毒器 (画像: Atlantic Ultraviolet Corporation)
LED技術とエレクトロニクス全般の進歩は、UV技術を推進し続け、細菌や病気の蔓延を制限し、抑制するのに役立つとともに、ヘルスケア業界に「明るい」未来をもたらすでしょう。
