Invecchiamento delle lampade UV e dei LED UV

Misurazioni regolari sono necessarie a causa dell'invecchiamento delle lampade UV e dei LED UV. Ma...

Perché le lampade UV invecchiano?

Le lampade UV invecchiano a causa di diversi processi fisici e chimici:

• Erosione degli elettrodi: gli elettrodi della lampada si consumano nel tempo a causa del processo di scarica elettrica, riducendo la loro efficienza. 
• Evaporazione del materiale: i materiali all'interno della lampada, come mercurio e tungsteno, possono evaporare e depositarsi sulle parti più fredde della lampada, riducendo l'emissione luminosa per assorbimento. 
• Degrado del fosforo: nelle lampade fluorescenti, un fosforo converte la radiazione a 254 nm in UVA o UVB; questo si degrada nel tempo, riducendo l'irradianza. 
• Solarizzazione: la radiazione UV può modificare il materiale della lampada, in particolare il vetro di quarzo, nel tempo, riducendo la trasmittanza della luce UV.

 Questi fattori insieme riducono l'emissione luminosa della lampada nel tempo, richiedendo una manutenzione o una sostituzione regolare.

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Perché i LED UV invecchiano?

Come tutti i componenti elettronici, anche i LED UV sono soggetti a invecchiamento. Come per tutti i prodotti, la qualità dei prodotti delle lampade a LED UV varia notevolmente. Durante la vita utile delle lampade a LED UV, si verifica una diminuzione continua dell'emissione di luce UV. Questo fenomeno viene definito degradazione. I fattori che influenzano l'invecchiamento dei LED comprendono in particolare la temperatura di esercizio e la corrente di esercizio. I LED UV invecchiano per diversi motivi, principalmente legati alle proprietà intrinseche dei materiali e alle condizioni di esercizio:

• Degrado termico: il calore generato durante la conversione dell'energia elettrica in luce può danneggiare i materiali semiconduttori dei LED e ridurne l'efficienza.
• Ossidazione e umidità: l'esposizione all'ossigeno e all'umidità può danneggiare i materiali del LED, in particolare gli elettrodi e i composti.
• Fatica del materiale: l'espansione e la contrazione ripetute dovute alle fluttuazioni di temperatura possono causare fatica del materiale, che influisce sulle prestazioni

Questi fattori insieme riducono l'output delle lampade UV e dei LED UV nel tempo, il che significa che la loro intensità luminosa e la loro durata sono limitate.

Dopo una fase di rodaggio con un calo più marcato, la degradazione procede in modo quasi lineare per alcune migliaia di ore. Un secondo meccanismo di guasto è il guasto spontaneo dei LED UV.

I guasti spontanei dei LED UV possono essere causati da diversi meccanismi, tra cui la scarica elettrostatica (ESD), che può danneggiare i componenti attraverso un improvviso picco di potenza. Possono verificarsi anche guasti ai collegamenti a filo (wire bond), in cui i sottili fili che collegano i chip LED ai terminali si rompono.

Difetti nel materiale semiconduttore stesso, come crepe o difetti negli strati semiconduttori, possono anch'essi portare al guasto improvviso di singoli LED UV. Questi tipi di guasto si verificano spesso senza preavviso e comportano un'immediata perdita di funzionalità del LED.

I LED UV sono considerati superiori alle tradizionali lampade UV per alcuni aspetti dell'invecchiamento:

• Durabilità: i LED UV raggiungono una durata maggiore con un buon raffreddamento e sono insensibili ai danni meccanici.
• Stabilità: offrono una migliore stabilità della lunghezza d'onda nel tempo poiché sono meno influenzati dalle fluttuazioni termiche.
• Efficienza: i LED UV utilizzano l'energia in modo più efficiente e generano meno calore di scarto, il che ne prolunga ulteriormente la durata di vita.

Le principali differenze tra l'invecchiamento delle lampade UV e dei LED UV:

Le principali differenze nell'invecchiamento risiedono quindi nel modo in cui le diverse sorgenti luminose gestiscono il calore e la fatica del materiale, il che influisce positivamente sull'efficienza e sulla longevità dei LED UV.

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Il diagramma illustra la tipica curva di invecchiamento di un LED UV, caratterizzata da un iniziale forte calo delle prestazioni nelle prime ore di funzionamento. Dopo questa diminuzione iniziale, la perdita di potenza si stabilizza e segue una degradazione graduale, quasi lineare nel tempo. Questa riduzione continua dell'emissione luminosa prosegue fino a quando il LED raggiunge la fine della sua vita utile e infine si guasta completamente senza emettere alcuna radiazione:

Ciò che l'invecchiamento di una sorgente comporta per i processi di produzione e ispezione in corso è illustrato nelle pagine applicative Polimerizzazione UV nell'industria automobilistica e Tecnologia UV per l'aerospazio.

Quanto è invecchiata una sorgente? L'irradianza allo stato nuovo e quella misurata oggi indicano il degrado – e il fattore di manutenzione rispetto al quale un impianto viene progettato, in modo che fornisca ancora la dose richiesta al termine dell'intervallo di sostituzione. Entrambi i valori devono essere misurati nello stesso intervallo spettrale e alla stessa distanza.

Come si può monitorare l'emissione di un LED UV?
Misurando l'irradianza nel punto di azione, non tramite la corrente di funzionamento o le ore di funzionamento. I LED UV perdono potenza radiante in modo continuo; i fattori determinanti sono la temperatura di giunzione e la corrente di pilotaggio, e ogni aumento di 10 °C della temperatura di giunzione dimezza la durata L70. Un approccio valido è registrare un valore iniziale dopo il rodaggio come riferimento e impostare una soglia di allarme come percentuale di tale valore. I valori tipici di durata fino a 10.000 ore (UVA) o 5.000 ore (UVB/UVC) si applicano solo alle condizioni di funzionamento specificate.

Come si rileva l'invecchiamento di una lampada UV?
Attraverso la diminuzione dell'irradianza in condizioni identiche – misurata nella stessa posizione, alla stessa distanza e alla stessa temperatura di esercizio. Quattro processi agiscono insieme: erosione degli elettrodi, evaporazione di materiale che si condensa sulle parti più fredde della lampada, degrado del fosforo e solarizzazione del vetro di quarzo. Le ore di funzionamento sono solo un'indicazione approssimativa: le lampade a bassa pressione raggiungono 8.000-12.000 ore, quelle a media pressione 1.000-4.000, le lampade a media pressione dopate 600-2.000.