UV-LED照明一體化燈具的研究與設計

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體細胞中的DNA或RNA的分子結構，使之失去復制功能，從而達到殺菌效果[1]。國際照明委員會(CIE)把紫外光分為三個區域: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, 且滅菌效應在260 nm處最大[2]。目前來看，紫外殺菌技術有兩大技術產品，可分為：低氣壓紫外殺菌汞燈產品和深紫外LED產品。

1)紫外殺菌技術的分類。低氣壓紫外殺菌汞燈即傳統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]，其產品壽命約5 000 h，紫外線輻射強度會隨著燈具開啟次數和點亮時間的增加而降低[4]。雖然，現階段以UV汞燈為代表的第一代紫外光源已經廣泛地應用在諸多領域，但是其存在諸多缺點，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產品即UVC-LED，其應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UV汞燈的5倍以上，且體積小，啟動速率快，無需預熱，光線能量集中，便于智能控制，能夠配合不同需求設計，適用于廣泛的應用場景，相較于UV汞燈具有更高的應用彈性[4]。

目前UV-LED與傳統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數量，成本也會因此提高。當然，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UV汞燈。更重要的是，UV-LED不含汞，更具有環保、高效、節能、壽命長、熱損失較少等優點，隨著UV-LED的技術進步與功率提升，其發展與取代勢頭不可阻擋[6]。

2)UV-LED的應用前景。2016年4月中國宣布加入世界環境《水俁公約》，按照公約要求，近140個締約國被要求自2020年開始禁止生產及進出口含汞產品，此公約也促使各家廠商加速推進UV-LED的研發與生產。因此，研發新型技術產品全面取代傳統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。有關數據顯示，2018—2023年全球UV-LED市場的復合增長率達到27%，預計未來五年國內UVC-LED殺菌消毒應用市場規模將達千億級[7]。

1 UV-LED燈具應用中存在的問題研究

UV-LED存在著與普通LED不一樣的用途和應用要求，所以UV-LED燈具的應用如材料、結構和電路設計等也存在不同的考量和設計方案，UV-LED燈具應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計應基于以下兩個方面的考量：

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

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行殺滅實驗時發現，UV-LED的脈沖輻照對細菌的殺滅能力明顯高于傳統UV汞燈的連續輻照，這主要得益于高強度脈沖輻照可以更有效破壞微生物 DNA 結構并阻止其修復[8]，這提示UVA+UVC LED殺菌效果優于傳統UV汞燈。

對策方案：采用UVC+UVA雙芯片設計方案，如圖1所示，單顆器件內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。UVA可以呈現可見光范圍內的藍光和紫光，這樣可提醒使用者所處的環境是否開啟了紫外燈，從而防止紫外線對人體的傷害，增強了用戶的使用體驗感，而且UVA-LED的高速調制特性有助于脈沖殺菌。

圖1 UVC-UVA雙芯片Fig.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，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換問題，其電子線路設計如圖2所示，通過UV-LED和電阻R的串并聯的電路設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

應用現狀：UV-LED穿透性不強，對光線穿透不了的物體內部和被覆蓋的部分，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PC罩和普通玻璃罩去防護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。考慮到這些因素，可以設計一個燈具結構，UV-LED光源板可以裸放在燈體上，再設計一個PC格架壓貼光源板，既可保護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，其結構設計如圖3所示。

圖3 UV-LED燈體結構Fig.3 UV-LED lamp structure

1.3 紫外線的危害性

應用現狀：紫外線會對人體皮膚、眼睛、中樞神經等造成永久傷害[2]，所以，人們不應將自己暴露在紫外線下。

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

圖4 感應器控制電路圖Fig.4 Sensor control circuit diagram

其工作原理如下：

1)當有人在時，可以通過微波感應器自動關閉紫外線燈具；

2)當人離開時，可以自動點亮UV-LED進行殺菌消毒；

3)在白天時，有太陽光或室內正常照明，可以開啟光控器，紫外線燈具不工作；

4)在晚上時，可以關閉光控器，智能啟動紫外線進行殺毒;

5)可以根據使用場所的需要，聯控設置微波與光控，對上面四種情況進行組合使用；

6)可以根據場所環境的需要自行設定點亮時間。

2 UV-LED照明一體化燈具的設計研究

UV-LED照明燈具的應用和設計除了第1節討論中所面臨的主要問題和對策方案外，調查發現：傳統紫外線消毒燈與照明燈開關相同并相鄰，經常導致誤開誤用紫外線消毒燈，對人體造成傷害的事件時有發生[10]。所以，在現實環境中，一般分開設置消毒燈與照明燈的開關，并加上醒目的警告標志，由專人對紫外線燈的電源進行統一控制，導致操作不便，人員效率低下。本節主要討論UV-LED照明燈具的一體化設計和安全性操作。

2.1 UV-LED照明燈具的一體化結構設計方案

1)可利用鏈接式一體化燈具的設計方案，如圖5所示，鏈接燈管的個數和長度，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UV-LED照明燈具的一體化設計如圖7所示，同時可以任意設計鏈接照明燈管或UV-LED燈管的個數和長度，按需定制。

圖5 鏈接式一體化燈具結構圖Fig.5 Linked integrated lamp structure diagram

圖6 鏈接式一體化燈具結構變化圖Fig.6 Linked integrated lamp structure change diagram

圖7 LED照明與殺菌一體化燈具的結構圖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計方案

在UV-LED照明燈具的一體化設計的基礎上，綜合運用微波感應、光控功能、延時電路和應急電源的工作原理，構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.當人走進工作場所，打開電源面板開關時，微波感應啟動——工作狀態，照明燈具點亮，紫外燈具關閉，同時，在光控電路控制下，照明燈具亮時紫外燈具熄，實現雙重控制，確保工作安全；另外，應急電源處于啟動——充電狀態。

b.當人中途離開工作場所時，微波感應啟動-關閉狀態，照明燈具熄滅，延時電路工作，可任意設定延時時間，在延時了規定時間后，點亮紫外燈具進行殺菌，可按設計要求任意設定殺菌時間；當人中途再回到工作場所時,微波感應啟動-工作狀態，工作原理如a。

c.如果人離開工作場所，且關閉電源面板開關，則照明燈具熄滅，應急電源啟動——供電狀態，點亮紫外燈具進行殺菌，可按設計要求任意設定殺菌時間；在中途有人返回時，微波感應啟動-工作狀態，紫外燈具熄滅。

2.3 基于鏈接式一體化燈具的管控技術實現的產品功能

利用鏈接式一體化燈具可擴展、可變形的結構設計，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，成為一個獨立的燈具系統，同時實現以下產品功能：

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

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

3)產品為鏈接化設計，單個燈具可大角度自由旋轉，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)可自由而靈活地調整照明燈具與紫外殺菌燈具的鏈接數量、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 結束語

UV-LED照明是近年來照明行業及市場細分的一個新的重點領域，可廣泛應用于光固化、凈化、消毒、刑偵、探傷等行業，正成為全球LED研究和投資的新熱點。本文研究開發的UV-LED照明一體化燈具，從芯片結構、LED線路、燈體結構、控制線路等方面進行針對性設計，并且采用鏈接式一體化方案，便于任意設計，按需定制，旨在創新應用UV-LED，為UV-LED照明的推廣使用起到催化作用。隨著照明行業整體技術的進步和全社會對健康、衛生、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展的階段；隨著基于物聯網的智能控制系統的升級與完善，UV-LED照明一體化燈具將全面地保障人們的健康和安全。