SVETELEKTRO

1. decembra 2020   Verzia pre tlač Verzia pre tlač

LED DIÓDY NA STERILIZÁCIU UV-C SVETLOM


TME s.r.o.

LED UV

V súvislosti s koronavírusovou pandémiou, šíriacou sa po celom svete, sa stále viac pozeráme na to, ako zachovať bezpečnosť seba a ostatných doma, v práci alebo na inom mieste stretávania sa. Dezinfikovanie a sterilizácia tekutinami na báze alkoholu všetkých miestností, v ktorých sa zdržujeme a predmetov, ktoré používame, je síce možné, ale v praxi nerealizovateľné. Nie je možné dosiahnuť každé miesto alebo jednoducho nie všetky povrchy a materiály sú vhodné na zvlhčenie. Môžu nám výdobytky modernej techniky nejako pomôcť zvýšiť úroveň bezpečnosti v našom okolí?

Podľa informácií zverejnených organizáciami CDC a WHO je jedným z možných spôsobov prenosu koronavírusu dotyk s infikovanými objektmi a následný dotyk infikovanou rukou tváre (nosa, očí alebo úst). To najlepšie, čo môžeme urobiť, aby sa zabránilo vniknutiu vírusu do nášho tela, je dodržiavať sociálny odstup, často si umývať ruky, rovnako ako dezinfekovať predmety bežného použitia. Platí to najmä pre tie predmety, ktoré často používame mimo domova alebo si ich prikladáme k tvári, ako sú napríklad smartfóny.

Našťastie ťažkopádne a nepríjemné umývanie dezinfekčnou kvapalinou nie je jediným spôsobom, ako zachovať hygienu. Pri dezinfekcii každodenných predmetov nám môžu pomôcť UV zdroje ako sú ultrafialové sterilizačné lampy, dlhé roky používané v nemocniciach, ambulanciách a iných zdravotníckych zariadeniach.

POUŽITIE ULTRAFIALOVÉHO ŽIARENIA NA DEZINFEKCIU A STERILIZÁCIU

UV svetlo je veľmi účinným prostriedkom na odstránenie rôznych patogénov. Ako už bolo spomenuté, zdravotnícke zariadenia a laboratóriá už mnoho rokov používajú ultrafialové lampy na sterilizáciu nástrojov a dezinfekciu nemocničných miestností. Menšie verzie takýchto lámp sa stávajú čoraz populárnejšími v malých podnikoch a dokonca aj v našich domovoch poskytujú nástroj na ochranu každodenných predmetov pred vírusmi a baktériami.

Rozlišujeme tri základné typy UV svetla: UV-A (Vlnová dĺžka: 315…380 nm), UV-B (280…315 nm) oraz UV-C (100…280 nm). Ultrafialové svetlo má najkratšiu vlnovú dĺžku a nesie najväčšie množstvo energie. To umožňuje jeho úspešné použitie ako baktericídného a virucídneho prostriedku.

Vďaka výskumu je známe, že ultrafialové svetloje schopné eliminovať 99,9% všetkých patogénov. Dezinfekcia a sterilizácia UV lampami je efektívny spôsob, ako sterilizovať nástroje alebo každodenné predmety bez potreby toxických chemikálií.

ZNIČÍ ULTRAFIALOVÁ LAMPA VÍRUS COVID-19?

Predpokladá sa, že koronavírus sa prenáša hlavne medzi jednotlivcami kvapôčkovou cestou, keď infikovaná osoba kašle alebo kýcha. Vírusom COVID-19 sa dá tiež infikovať dotykom predmetu, na ktorom sa vírus nachádza a následne úst, nosu alebo očí, aj keď sa vedci domnievajú, že to nie je hlavný spôsob šírenia vírusu.

Hoci svetlo UV lámp bolo testované v laboratórnych a klinických podmienkach a ukázalo sa, že je účinné pri odstraňovaní rôznych patogénov, avšak vírus, ktorý spôsobuje COVID-19, je úplne nové ochorenie. Hoci odborníci tvrdia, že neexistujú žiadne nespochybniteľné, presvedčivé testy, ktoré ukazujú, že UV svetlo môže ničiť koronavírus, malo by toho byť schopné, rovnako ako u iných mikroorganizmov, ako je chrípkový vírus. Je teda veľmi pravdepodobné, že UV svetlo by mohlo byť veľmi účinným prostriedkom na zastavenie pandémie koronavírusu a udržiavanie hygieny v našom okolí.

POUŽITIE ULTRAFIALOVÉHO ŽIARENIA – AKÉ PREDMETY SA DAJÚ DEZINFIKOVAŤ UV SVETLOM?

Ultrafialové lampy môžu ničiť 99,99% vírusov na povrchoch, ako je sklo, kov, drevo a plasty, ktoré majú prímes UV inhibítorov. Väčšina vysoko kvalitných plastov ich obsahuje na ochranu predmetov z nich vyrobených pred slnečným žiarením počas vonkajšieho použitia. Existujú však aj lacné plasty, ktoré nemajú UV inhibítory. Predmety z nich vyrobené sa môžu pri konštantnom pôsobení UV žiarenia odfarbiť a/alebo sa stať sa krehkými a lámavými.

DEZINFEKCIA A STERILIZÁCIA POMOCOU UV-C SVETLA

UV svetlo je účinným prostriedkom na boj proti rôznym typom mikróbov. S jeho pomocou môžete nielen zabiť vírusy a baktérie, ale aj spóry plesní. Je však dôležité pochopiť, ako je tento druh žiarenia potrebné použiť na účinné vykonávanie dezinfekcie.

Na trhu je veľa komerčne dostupných sterilizátorov využívajúcich UV svetlo. Sú široko používané v zdravotníckych zariadeniach, liečebných miestnostiach, kozmetických štúdiách a iných zariadeniach tohto typu. Najčastejšie ide o UV žiarivky určené na dezinfekciu miestností, upevnené na stojane, ktoré je možné presunúť a nastaviť na požadované miesto. Ďalšou formou spracovania sú relatívne veľké boxy alebo komory, ktoré sa podobajú vzhľadu mikrovlnných rúr, ktoré môžu byť použité na sterilizáciu predmetov, ako sú nožnice, pinzety a iné, v ich vnútri.

Množstvo žiarenia dosahujúceho povrch sa určuje v jouloch na meter štvorcový (J/m2). Ako si pamätáme z hodín fyziky, jeden joul je množstvo práce vykonanej výkonom 1 W za 1 sekundu, teda 1 J=1 W×1 s, Ako sa dá ľahko uhádnuť pri pohľade na vzorec, s konštantným výkonom žiarenia je faktorom určujúci množstvo energie dosahujúcej povrch predmetu a tým aj jeho sterilizáciu čas — čím dlhšia je doba expozície UV žiareniu, tým viac mikróbov zabíja.

Ultrafialové svetlo s vlnovou dĺžkou od 270 do 290 nm sa používa na dezinfekciu a sterilizáciu, hoci samotný rozsah UV dosahuje rozpätie od 100 do 400 nm. Odolnosť mikroorganizmov voči UV žiareniu sa mení. UV svetlo zabíja najrýchlejšie baktérie a oveľa pomalšie vírusy a spóry plesní. Ak chcete zabiť väčšinu baktérií, vírusov ostatné, stačí dodať 8 mJ/cm2. Spóry plesní vykazujú najväčšiu odolnosť voči UV žiareniu, ale dobrou správou je, že patogénne plesne majú menšiu odolnosť voči UV žiareniu ako baktérie.

Dávka žiarenia sa vypočíta ako súčin intenzity žiarenia a času žiarenia. Požadovaný čas žiarenia sa môže vypočítať na základe intenzity ultrafialového zdroja svetla. Napríklad, ak používate UV dezinfekčné zariadenie s intenzitou žiarenia 70 µW/cm2 na osvetlenie povrchu objektu z krátkej vzdialenosti možno podľa vzorca vypočítať dávku žiarenia rovnajúcu sa 100 µJ/cm2:

Majte pritom na pamäti, že UV sterilizátory môžu byť škodlivé pre zdravie a nepriaznivo ovplyvniť zrak alebo pokožku. Preto by mal byť zdroj UV svetla tienený a vypnutý, ak sa otvorí kryt dezinfekčnej komory. Ak je zdroj UV svetla umiestnený iba na jednej strane predmetu, mal by sa po stanovenom čase otočiť tak, aby sa druhá strana dezinfikovala tiež. Ak používate zdroj UV svetla v miestnosti, najlepšie je ho zapnúť, keď je miestnosť prázdna. UV svetlo tiež môžete zapnúť, keď sa niekto v miestnosti nachádza, ale po dobu nie dlhšiu ako 30 minút pri používaní osobných ochranných prostriedkov (zakrytá pokožka, okuliare s UV blokádou). Na dezinfekciu vody a iných tekutín sa môže použiť vnútorný zdroj (umiestnený v tekutine) alebo vonkajší zdroj. Ak sa použije vnútorný zdroj, zdroj UV svetla by mal byť vybavený štítom z kremičitého skla. Bez ohľadu na prijatú metódu by hrúbka vodnej vrstvy mala byť menšia ako 2 cm.

Neexistujú žiadne publikované oficiálne štúdie potvrdzujúce dávku energie, ktorá je potrebná na neutralizáciu vírusu, ktorý spôsobuje ochorenie COVID-19. Jeho stavba sa však porovnáva s vírusom „hepatitídy typu A“, odolnejšieho voči UV žiareniu, pre ktorý je smrteľná dávka menšia ako 7 mJ/cm2. Na základe toho sa odhaduje, že dávka potrebná na neutralizáciu koronavírusu COVID-19 spôsobujúceho ochorenie je približne 4 mJ/cm2. To znamená, že ultrafialová lampa vyžarujúca žiarenie 1 W/cm2 vo vzdialenosti 1 m od povrchu potrebuje 400 sekúnd, čo je asi 7 minút na 90% dezinfekciu.

DEZINFEKČNÁ KOMORA PRE MOBILNÉ TELEFÓNY

Žiarivé diódy, emitujúce UV žiarenie, boli vyvinuté už dávno, ale spočiatku boli užitočné hlavne na stimuláciu fosforu emitujúceho biele svetlo. Súčasne mnohí výrobcovia ponúkajú LED diódy, ktoré vyžarujú UV svetlo rôznej intenzity, vhodné pre rôzne aplikácie. V posledných rokoch sa vďaka vývoju polovodičovej technológie výrazne zvýšil svetelný výkon takýchto zdrojov, čo rozšírilo spektrum ich aplikácií.

UV LED diódy umožňujú vytvárať nové aplikácie, kde typické UV zdroje (napr. ortuťová lampa) nefungujú. Napríklad malá UVC LED dióda môže byť namontovaná vo vnútri nádrže kávovaru, ktorá s takmer neobmedzenou dobou expozície žiarenia umožňuje inhibovať mikrobiálny vývoj vo vode. V tejto aplikácii je veľmi výhodné používať LED s malým napätím, čo eliminuje nebezpečenstvo zamorenia. To je obzvlášť dôležité, pretože svetelný zdroj bude pracovať v podmienkach zvýšenej vlhkosti. Okrem toho životnosť LED eliminuje potrebu nákladného servisu.

Rovnaké UV LED vlastnosti sú výhodné v kompaktných čističkách vzduchu alebo dezodorizátoroch. V týchto zariadeniach UV-A svetlo ožaruje katalyzátor pokrytý oxidom titaničitým, aby produkoval voľné radikály, ktoré rozkladajú veľké organické molekuly. Takéto čističky môžu byť inštalované v chladničkách a klimatizačných systémoch pre účely odstránenia nepríjemných zápachov. V kombinácii s baktericídnym UV-C svetlom čistič udržiava klimatizačný systém svieži a bez vzduchových patogénov. Súčasne znižuje frekvenciu čistenia a výmeny filtrov.

Jedným z lídrov medzi výrobcami LED je spoločnosť Liteon a práve s využitím jej výrobkov bolo rozhodnuté vyrobiť dezinfekčnú komoru. Pre jej konštrukciu boli vybrané diódy typu LTPL-G35UVC275GZ. Je to dióda s maximálnym výkonom 3W, v keramickom puzdre. Uhol roztvorenia lúča, ktorý môžeme použiť v tejto komore, je 120°. Vysoký LED výkon je zárukou rýchlej a účinnej dezinfekcie. LED napájací prúd je pomerne veľký, pretože je 0,35A a menovité napätie je zvyčajne 6,2 V. V podmienkach našej aplikácie bude výkon prúdového napájania diódy 2,17 W.

Kompromis medzi uhlom roztvorenia lúča a vonkajšími rozmermi navrhovanej komory stanovuje vzdialenosť medzi UV LED a dezinfikovaným predmetom. Predpokladajme, že maximálne rozmery smartfónu umiestneného v komore budú (160×80×12) mm. Obrázok 1 znázorňuje náčrt navrhovanej komory. Predpoklady pre stavbu komory môžu byť vytvorené pomocou grafických objektov — stačí načrtnúť LED UV, osvetlený objekt a podľa toho usporiadať tieto komponenty. Komora a objekt nebudú veľké, takže je najlepšie to urobiť v mierke 1:1. Potom pomocou programu alebo pravítka stačí určiť rozmery výkresu a je to.

Obrázok 1 Náčrt dezinfekčnej komory smartfónu na určenie umiestnenia diód vzhľadom na dezinfikovaný objekt (napr. mobilný telefón)

Čo sa dá zistiť z náčrtu? UV LED diódy stojí za to namontovať čo najbližšie. Táto vzdialenosť musí byť kompromisom, pretože musíte mať na pamäti, že LED diódy majú pomerne veľký výkon a počas práce sa zahrievajú. Preto bolo rozhodnuté použiť 4 UV LED, dve hore a dve v spodnej časti. Ak je vzdialenosť medzi diódami približne 80 mm, najmenšia vzdialenosť medzi nimi a objektom (takže UV lúč pokrýva celý telefón) bude 25 mm. Najmenší, pretože priamo ovplyvňuje rozmery komory, alebo skôr naším zámerom bude urobiť dezinfekčnú komoru ergonomickou a čo najmenšou. Ale pamätajte si, že diódy majú relatívne vysoký výkon, takže sa budete musieť postarať o prúdenie chladiaceho vzduchu. Ak je to žiaduce, dá sa vynútiť ventilátorom.

Pokúsme sa zhromaždiť v niektorých návrhových predpokladoch rozmery uvedené na obrázku 1. Aby sa objekt zmestil do komory a aby bolo možné osvetliť jeho okraje, musí byť zabezpečený určitý priestor medzi krytom a objektom. Predpokladajme, že to bude 4 mm. Ak je šírka telefónu (160×80×12) mm a vzdialenosť od objektu k UV dióde je 25 mm, vnútorné rozmery komory budú (168×88×62) mm.

Vzor konštrukcie komory je znázornený na obrázku 2. Je však potrebné zahrnúť aj priestor pre bezpečnostný spínač (vypnutie UV svetla po otvorení puzdra), montážne otvory pre UV LED prvky, otvory pre drôty a konektory, montážny priestor pre dosku plošných spojov, vrátane tlačidiel, okno pre displej alebo iný signalizátor nastaveného času zopnutia, pánty krytu atď. Takto by však mohol vyzerať dizajn krytu na dezinfekciu smartfónov navrhnutý napríklad pre 3D tlač. Ako si môžete všimnúť, spodná časť komory má 4 podpery, na ktoré môžete položiť svoj telefón. Samozrejme, komora sa dá takisto vyrobiť inými spôsobmi a pripraviť ju pre najčastejšie dezinfikované objekty.

Obrázok 2 Návrh krytu v procese realizácie

Obrázok 3 znázorňuje návrh riešenia ovládania. Jeho srdce tvorí lacný mikrokontrolér AVR typu ATtiny2313. Vysoká presnosť merania času sa nevyžaduje, takže pracuje pomocou taktovania vstavaného RC generátora. Nekomplikovaný tranzistorový kľúč, ktorý zopne UV diódy, je pripojený k výstupu PD4 nakonfigurovaného ako výstup. Diódy na diagrame majú svoje P1… P4 konektory, ktoré nie sú povinné a na doske môžu byť vyrobené vo forme spájkovacích bodov. Je pravda, že ich použitie uľahčí montáž, demontáž a uvedenie do prevádzky komory, ale aplikovať konektory nie je povinné.

UV diódy sú napájané zo zdroja prúdu založeného na populárnom známom čipe LM317, pracujúcom v konfigurácii súčasného stabilizátora. Takéto riešenie je z mnohých dôvodov oveľa lepšie ako použitie rezistora. Po prvé, chráni diódy za podmienok s premenlivou prevádzkovou teplotou a po druhé umožňuje, aby bola komora dodávaná so širokým rozsahom napätia.

V tejto konfigurácii výstupný prúd LM317 špecifikuje rovnica:

UV diódy pracujú v sériovo – paralelnom pripojení. Ich menovité napätie je približne 6,2 V. Pri zohľadnení napätia potrebného na správnu prevádzku LM317 a tranzistorového kľúča musí byť k prívodnému konektoru G1 pripojený zdroj 15V so zaťažením 1A alebo väčším. Je možné použiť aj vyššie napätie, avšak je potrebné zachovať opatrnosť, pretože jeho prebytok sa stratí vo forme tepla, ktoré bude potrebné nejakým spôsobom odviezť.

Mikrokontrolér je napájaný 5V napätím získaným zo stabilizátora typu 78L05 U2. Užívateľské rozhranie tvoria: S1… Tlačidlá S3, 7-segmentový displej SEG1 a bezpečnostný spínač vyvedený do zásuvky P5. Mikrokontrolér môže byť naprogramovaný v usporiadaní pomocou konektora P6. Displej je ovládaný priamo z PB portu mikrokontroléra. Tlačidlá sú pripojené k výstupom PD0… PD2, bezpečnostný prepínač k PD3, zatiaľ čo tranzistorový kľúč spájajúce UV diódy k PD4.

Softvér mikrokontrolérov je možné zapísať ľubovoľným jazykom pre mikrokontroléry AVR, napríklad pomocou AVR Studio a kompilátora AVR GCC. Môže to však byť aj kedysi populárny Bascom AVR alebo iný. Algoritmus programu by mohol byť nasledovný:

  • Po pripojení je napájanie UV LED vypnuté a na displeji sa zobrazí „0“ alebo horizontálna pomlčka.
  • Používateľ nastaví čas žiarenia pomocou tlačidiel „plus“/„mínus“. K dispozícii je len jeden displej, takže čas žiarenia by mal byť nastavený s určitým intervalom, napríklad každých 15 minút. Takže „1“ môže znamenať 15 minút, „2“ — 30 minút atď. Môžu sa použiť aj písmená, hoci čas „9“ by znamenal 405 minút a to je príliš dlho. Potom by „a” mohlo znamenať 420 minúť atď.
  • Stlačíme tlačidlo „štart“, aby sme začali dezinfekciu. Počas dezinfekcie sa číslo zobrazené na displeji mení každých 15 minút. Koniec dezinfekcie je na displeji signalizovaný „0“ a samozrejme sa vypnú UV LED diódy.
  • Softvér skontroluje, či je kryt zatvorený pred zapnutím a počas prevádzky. Ak nie, okamžite vypne napájanie UV LED. Uzavretie veka signalizuje skrat výstupu PD3 na vo vzťahu k hmotnosti. Ak sa kryt zariadenia počas dezinfekcie otvorí, žiarenie pokračuje po jeho zatvorení.

Obrázok 3 Návrh riešenia ovládača dezinfekčnej komory

NA KONIEC

Článok predstavuje koncept výroby komory na dezinfekciu smartfónov. Vyššie uvedené riešenia by sa mali považovať za návrh a nie ako hotový dizajn zariadenia pre vlastnú výrobu. Pri výrobe takejto komory ju môžete upraviť podľa potreby a prispôsobiť vašim potrebám. Skrinka komory nemusí byť nutne vykonaná pomocou 3D tlačiarne — môžete použiť buď nejaké hotové puzdro, alebo si ho vyrobiť z dreva. Zdôrazňujeme však, že by to mal byť materiál odolný voči UV žiareniu. Podobne je to s ističom založeným na mikrokontroléri. Namiesto toho, aby ste si ho vyrábali sami na báze mikrokontroléra, môžete použiť hotové časové relé, hoci napísanie programu podľa usmernení uvedených v článku, vám môže poskytnúť veľkú spokojnosť. Samozrejme, namiesto LED displeja môžete použiť LCD modul, na ktorom môžete prezentovať oveľa viac informácií a namiesto tlačidiel môžete použiť kódovač s tlačidlom, ktorý bude obsahovať všetky funkcie ovládačov používateľského rozhrania.

Pre napájanie UV LED musí byť použitý prúdový zdroj. Bez ohľadu na prahové napätie diódových konektorov a ich zmeny v dôsledku zahrievania polovodičovej konštrukcie, bude udržiavať konštantný napájací prúd. To má obrovský vplyv na trvanlivosť diód, ktoré majú oveľa vyššiu cenu ako štandardné LED diódy.

Ako sa vám páčil tento článok?
  • Páči sa mi (7)
  • Súhlasím (0)
  • Zábavné (0)
  • Informatívne (7)

Pridaj komentár