Starzenie się lamp UV i diod UV LED
Lampy UV i diody UV LED tracą natężenie napromienienia podczas pracy i częściowo zmieniają swoje widmo – w przypadku emiterów domieszkowanych nawet znacząco. Typowa trwałość wynosi od 500 do 2000 godzin dla lamp wysokociśnieniowych oraz od 8000 do 12 000 godzin dla lamp niskociśnieniowych, a dla diod UV LED od 10 000 do 20 000 godzin. Tylko pomiar za pomocą wzorcowanego radiometru pokazuje, jak daleko odbiegł dany system.
Pomiar natężenia napromienienia wysokowydajnych źródeł światła UV jest niezbędny w procesach utwardzania promieniowaniem UV, ponieważ wymagają one precyzyjnej kontroli dawki. Utwardzanie UV wykorzystuje światło UV do polimeryzacji za pomocą fotoinicjatorów w materiałach, gdzie ekspozycja ma kluczowe znaczenie. Radiometry UV służą do dokładnego pomiaru natężenia UV i dawki (J/cm²), a detektory muszą charakteryzować się wysoką czułością widmową, aby spełnić te wymagania.
Rodzaje źródeł światła stosowanych do generowania promieniowania UV:
- Wysokowydajne lampy wyładowcze gazowe:
Lampy te wytwarzają silne promieniowanie UV z wykorzystaniem rtęci odparowanej w wysokiej temperaturze w rurze kwarcowej, z możliwością dostosowania emisji widmowej za pomocą domieszek metalicznych. - Wysokowydajne diody UV LED:
Oferują one takie zalety jak efektywność energetyczna, natychmiastowa gotowość do pracy i długa trwałość, chociaż należy uwzględnić zależną od temperatury stabilność długości fali oraz efekty starzenia.
To, jak daleko odbiegło dane urządzenie, staje się widoczne przy porównaniu go ze świeżym wzorcowaniem UV.
Trwałości lampy UV nie można zatem określić samą liczbą godzin pracy: liczy się to, kiedy natężenie napromienienia spadnie poniżej wartości wymaganej przez proces – a to zależy od cykli przełączania, temperatury i zabrudzenia.
Trwałość lamp UV i diod UV LED
| Typ źródła światła UV | Opis | Typowa trwałość lampy |
| Lampa UV (niskociśnieniowa) | Stosowana do dezynfekcji (wody) | 8 000–12 000 godzin |
| Lampy amalgamowe | Wyższa wydajność i dłuższa trwałość | 12 000–16 000 godzin |
| UV LED | Energooszczędne; do mniejszych zastosowań | UVA do 10 000 godzin, UVB/UVC do 5 000 godzin |
| Moduły UV LED | Jednostki modułowe; konfigurowalne | UVA do 10 000 godzin, UVB/UVC do 5 000 godzin |
| Lampy wysokociśnieniowe | Bardzo wysokie natężenie UV; szerokie widmo | 500–2 000 godzin |
| Pulsacyjne lampy ksenonowe | Intensywne błyski światła UV o szczytowym natężeniu | 1 000–3 000 godzin |
| Lampy eksymerowe | Specyficzne; wąskie widmo | 5 000–8 000 godzin |
| Lampa UV (średniociśnieniowa) | Odpowiednia do zastosowań przemysłowych | 1 000–4 000 godzin |
| Lampa UV (średniociśnieniowa, domieszkowana) | Domieszkowana żelazem lub galem w celu uzyskania specjalnych widm | 600–2 000 godzin |
| Lampa ksenonowa krótkołukowa | Wysokie natężenie i szerokie widmo | 500–2 000 godzin |
Regularne pomiary są konieczne ze względu na starzenie się lamp UV i diod LED UV. Ale...
Dlaczego lampy UV się starzeją?
Lampy UV starzeją się na skutek kilku procesów fizycznych i chemicznych:
- Erozja elektrod: elektrody w lampie zużywają się z czasem w wyniku procesu wyładowania elektrycznego, co zmniejsza ich wydajność.
- Parowanie materiału: materiały wewnątrz lampy, takie jak rtęć i wolfram, mogą parować i osadzać się na zimniejszych częściach lampy, zmniejszając wydajność świetlną poprzez absorpcję.
- Degradacja luminoforu: W lampach fluorescencyjnych luminofor przekształca promieniowanie 254 nm w UVA lub UVB; degraduje się on z czasem, zmniejszając natężenie napromienienia.
- Solaryzacja: Promieniowanie UV może z czasem zmieniać materiał lampy, zwłaszcza szkło kwarcowe, zmniejszając transmitancję światła UV.
Czynniki te łącznie zmniejszają wydajność świetlną lampy z czasem, co wymaga regularnej konserwacji lub wymiany.
A także...
Dlaczego diody LED UV się starzeją?
Podobnie jak wszystkie elementy elektroniczne, diody LED UV również podlegają starzeniu. Jak w przypadku wszystkich produktów, jakość lamp LED UV znacznie się różni. Przez cały okres eksploatacji lamp LED UV następuje ciągły spadek natężenia światła UV. Nazywa się to degradacją. Czynniki wpływające na starzenie się diod LED to przede wszystkim temperatura pracy i prąd roboczy. Diody LED UV starzeją się z kilku powodów, które są głównie związane z właściwościami materiałowymi i warunkami pracy:
- Degradacja termiczna: ciepło wytwarzane podczas przekształcania energii elektrycznej w światło może uszkodzić materiały półprzewodnikowe diod LED i zmniejszyć ich wydajność.
- Utlenianie i wilgoć: Narażenie na tlen i wilgoć może uszkodzić materiały w diodzie LED, zwłaszcza elektrody i połączenia.
- Zmęczenie materiału: Powtarzające się rozszerzanie i kurczenie się na skutek wahań temperatury może powodować zmęczenie materiału, co wpływa na wydajność
Czynniki te łącznie zmniejszają wydajność lamp UV i diod LED UV z czasem, co oznacza, że ich natężenie światła i trwałość są ograniczone.
Po fazie docierania z bardziej stromym spadkiem degradacja przebiega niemal liniowo przez kilka tysięcy godzin. Drugim mechanizmem awarii jest spontaniczna awaria diod LED UV.
Spontaniczne awarie diod LED UV mogą być spowodowane kilkoma mechanizmami, w tym wyładowaniem elektrostatycznym (ESD), które może uszkodzić komponenty poprzez nagły skok napięcia. Mogą również wystąpić awarie połączeń drutowych, gdzie maleńkie druty łączące chipy LED z zaciskami zawodzą.
Wady w samym materiale półprzewodnikowym, takie jak pęknięcia lub defekty w warstwach półprzewodnikowych, mogą również prowadzić do nagłej awarii pojedynczych diod LED UV. Tego typu awarie często występują bez ostrzeżenia i prowadzą do natychmiastowej utraty funkcji diody LED.
Diody LED UV są uważane za lepsze od tradycyjnych lamp UV pod pewnymi względami starzenia się:
- Trwałość: Diody LED UV osiągają dłuższą trwałość przy dobrym chłodzeniu i są niewrażliwe na uszkodzenia mechaniczne.
- Stabilność: Oferują lepszą stabilność długości fali w czasie, ponieważ są mniej podatne na wahania termiczne.
- Wydajność: Diody LED UV wykorzystują energię wydajniej i generują mniej ciepła odpadowego, co dodatkowo wydłuża ich trwałość.
Główne różnice między starzeniem się lamp UV a diod LED UV:
Główne różnice w starzeniu się polegają zatem na sposobie, w jaki różne źródła światła przetwarzają ciepło i zmęczenie materiału, co pozytywnie wpływa na wydajność i długowieczność diod LED UV.
Chętnie pomożemy Państwu w doborze urządzeń pomiarowych UV do sprawdzania starzenia UV lamp wyładowczych dużej mocy i diod LED UV. Opsytec oferuje specjalnie opracowane urządzenia pomiarowe, które gwarantują precyzyjny i niezawodny pomiar UV, a także umożliwiają wzorcowanie zgodnie z DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03.
Diagram ilustruje typową krzywą starzenia diody LED UV, charakteryzującą się początkowym gwałtownym spadkiem wydajności w pierwszych godzinach pracy. Po tym początkowym spadku utrata mocy stabilizuje się i postępuje stopniowo, niemal liniowo w czasie. Ten ciągły spadek emisji światła trwa do momentu, gdy dioda LED osiągnie koniec swojej trwałości i ostatecznie ulegnie całkowitej awarii, nie emitując już żadnego promieniowania:
Co starzenie się źródła oznacza dla bieżących procesów produkcyjnych i kontrolnych, pokazano na stronach zastosowań Utwardzanie UV w przemyśle motoryzacyjnym oraz Technologia UV dla lotnictwa i kosmonautyki.
Jak bardzo zestarzało się źródło? Natężenie napromienienia zmierzone, gdy było nowe, oraz zmierzone dzisiaj pozwalają określić stopień degradacji – a także współczynnik zapasu (maintenance factor), na który projektowany jest system, tak aby na koniec okresu eksploatacji nadal dostarczał wymaganą dawkę. Obie wartości muszą być zmierzone w tym samym zakresie widmowym i w tej samej odległości.
Kalkulator działa w przeglądarce Państwa urządzenia; żadne dane nie są przesyłane.
Zalecany miernik UV do starzenia UV
Radiometr RMD Pro
W pełni cyfrowy radiometr ręczny do pomiaru natężenia napromienienia i dawki, z dwoma wejściami czujników i pamięcią 8 GB.
UVpad
Płaski radiometr widmowy o wysokości 14,4 mm, do systemów transportowych, od 200 do 440 nm z szerokością pasma 2 nm.
curelog
Płaski radiometr i dozymetr przemieszczający się przez systemy transportowe UV z częstotliwością do 2000 odczytów/s, w maksymalnie czterech zakresach spektralnych.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące starzenia i monitorowania parametrów pracy
W jaki sposób można monitorować moc wyjściową diody UV LED?
Poprzez pomiar natężenia napromienienia w miejscu działania, a nie poprzez prąd roboczy czy liczbę godzin pracy. Diody UV LED tracą moc promieniowania w sposób ciągły; decydujące czynniki to temperatura złącza i prąd zasilający, a każdy wzrost temperatury złącza o 10 °C skraca o połowę trwałość L70. Rozsądnym podejściem jest zarejestrowanie wartości początkowej po okresie docierania jako wartości odniesienia i ustalenie progu ostrzegawczego jako jej procentu. Typowe wartości trwałości do 10 000 h (UVA) lub 5 000 h (UVB/UVC) obowiązują wyłącznie w określonych warunkach pracy.
Jak wykrywa się starzenie lampy UV?
Poprzez spadek natężenia napromienienia w identycznych warunkach – mierzonego w tym samym miejscu, w tej samej odległości i w tej samej temperaturze pracy. Współdziałają tu cztery procesy: erozja elektrod, parowanie materiału, który osadza się na chłodniejszych częściach lampy, degradacja luminoforu oraz solaryzacja szkła kwarcowego. Liczba godzin pracy stanowi jedynie przybliżony wskaźnik: lampy niskociśnieniowe osiągają od 8 000 do 12 000 h, lampy średniociśnieniowe od 1 000 do 4 000 h, a domieszkowane lampy średniociśnieniowe od 600 do 2 000 h.
Autor: dr Mark Paravia
Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym firmy Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po prowadzonych przez niego badaniach nad impulsowymi wyładowaniami excimerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej na KIT, jego obecnym obszarem zainteresowań jest technika pomiaru promieniowania optycznego. Jest wiceprzewodniczącym Komitetu Normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem Grupy Projektowej DVGW ds. Dezynfekcji UV.
