LED-uri pentru sterilizare cu lumină UV-C

12 MARTIE 2021

Dezinfectare eficientă folosind LED-uri Liteon UV-C.

Pe măsură ce pandemia de coronavirus se răspândește în întreaga lume, ne întrebăm tot mai mult cum să ne păstrăm pe noi înșine și pe ceilalți în siguranță acasă, la serviciu sau în alte locuri de întâlnire. Dezinfectarea și sterilizarea tuturor încăperilor în care stăm și a obiectelor pe care le folosim cu lichide pe bază de alcool este posibilă, dar nu este fezabilă în practică. Este imposibil să ajungeți în orice loc sau pur și simplu nu toate suprafețele și materialele sunt potrivite pentru a fi udate. Realizările tehnologiei moderne pot contribui cumva la creșterea nivelului de securitate în mediul nostru?

Conform informațiilor publicate de CDC și OMS, o modalitate posibilă de a contracta coronavirusul este atingerea obiectelor infectate și apoi atingerea feței cu mâna infectată (nas, ochi sau gură). Cel mai bun lucru pe care îl putem face pentru a preveni pătrunderea virusului în corp este să practicăm distanțarea socială, să ne spălăm frecvent pe mâini și să dezinfectăm obiectele de zi cu zi. Acest lucru se aplică în special pe obiectele pe care le folosim adesea în afara casei sau le aducem aproape de față, cum ar fi, de exemplu, smartphone-urile.

Din fericire, spălarea dificilă și incomodă cu dezinfectant nu este singura modalitate de a menține igiena. În decontaminarea obiectelor de zi cu zi, ne putem ajuta de surse de radiații UV, cum ar fi lămpile de sterilizare cu ultraviolete, utilizate de mai mulți ani în spitale, clinici și alte facilități medicale.

Utilizarea luminii ultraviolete pentru dezinfectare și sterilizare

Lumina UV este un mijloc foarte eficient de eliminare a diferiților agenți patogeni. După cum s-a menționat, instituțiile medicale și laboratoarele folosesc de mult timp lămpi ultraviolete pentru sterilizarea instrumentelor și pentru dezinfectarea camerelor spitalului. Versiunile mai mici ale acestor lămpi devin din ce în ce mai populare în întreprinderile mici și chiar și în casele noastre, oferind un instrument care ajută la protejarea de viruși și bacterii a obiectelor folosite în mod curent.

Există trei tipuri de bază de lumină UV: UV-A (lungime de undă: 315 … 380 nm), UV-B (280 … 315 nm) și UV-C (100 … 280 nm). Lumina ultravioletă UV-C are cea mai mică lungime de undă și transportă cea mai mare cantitate de energie. Datorită acestui fapt, poate fi utilizată cu succes ca agent bactericid și virucid.

Cercetările arată că lumina ultravioletă este capabilă să elimine 99,9% din agenții patogeni. Dezinfectarea și sterilizarea cu lămpi UV este o metodă eficientă de sterilizare a instrumentelor sau a obiectelor de zi cu zi, fără a fi necesar să utilizați substanțe chimice toxice.

Distruge lampa UV virusul COVID-19?

Se crede că noul coronavirus se răspândește în principal de la persoană la persoană prin picături în aer, atunci când o persoană infectată tușește sau strănută. COVID-19 poate fi, de asemenea, contractat prin atingerea obiectului pe care se află virusul și apoi prin atingerea gurii, nasului sau ochilor, deși oamenii de știință cred că acesta nu este principalul mod de răspândire a virusului.

Deși lumina lămpilor UV a fost testată în condiții de laborator și clinice și s-a dovedit a fi eficientă în uciderea diferiților agenți patogeni, virusul care provoacă COVID-19 este o boală complet nouă. Deși experții spun că nu există rezultate incontestabile și concludente ale testelor care indică faptul că lumina UV poate ucide coronavirusul, ar trebui să poată face acest lucru, așa cum este cazul altor microorganisme, cum ar fi virusul gripal. Prin urmare, este foarte probabil ca lumina UV să se dovedească a fi o măsură foarte eficientă pentru a ajuta la ținerea sub control a pandemiei de coronavirus și la menținerea igienei în mediul nostru.

Utilizarea luminii ultraviolete – ce obiecte pot fi decontaminate cu lumină UV?

Lumina de la lămpile UV poate distruge 99,99% din viruși de pe diverse suprafețe precum sticlă, metal, lemn și materiale plastice, care conțin un inhibitor UV. Majoritatea materialelor plastice de înaltă calitate conțin acest inhibitor, pentru a proteja obiectele din care sunt fabricate de lumina soarelui, atunci când sunt folosite în aer liber. Cu toate acestea, există materiale plastice ieftine care nu au inhibitori UV. Astfel de obiecte se pot decolora sub influența expunerii continue la lumina UV și/sau pot deveni casante și fragile.

Dezinfectare și sterilizare cu lumină UV

Lumina UV este un mijloc eficient de combatere a diferitelor tipuri de microorganisme. Cu ajutorul acesteia se pot ucide nu numai virușii și bacteriile, ci și sporii fungici. Cu toate acestea, este important să înțelegem cum să utilizăm acest tip de radiații pentru a dezinfecta eficient.

Există multe sterilizatoare disponibile în comerț care utilizează lumină UV. Acestea sunt utilizate pe scară largă în unitățile medicale, sălile de tratament, unitățile cosmetice și alte facilități de acest tip. Cel mai adesea, lămpile UV sunt montate pe suporturi mobile pentru a fi mutate în locul dorit. De asemenea, forma lor constructivă diferă de la caz la caz.

Cantitatea de radiație care ajunge la suprafață este definită în Jouli pe metru pătrat (J/m2). După cum ne amintim din lecțiile de fizică, 1J = 1 W × 1 s. Analizând această formulă, putem observa că pentru  o putere de radiație constantă, factorul care determină cantitatea de energie care ajunge la suprafața obiectului pentru sterilizarea acestuia, va fi timpul – cu cât expunerea la lumina UV este mai lungă, cu atât mai multe microorganisme vor muri.

Lumina ultravioletă cu o lungime de undă cuprinsă între 270 și 290 nm este utilizată pentru dezinfecție și sterilizare, deși gama UV se extinde de la 100 la 400 nm. Rezistența microorganismelor la radiațiile UV variază. Bacteriile mor cel mai repede la lumina UV, iar sporii, virușii și ciupercile lor se distrug mai lent. Pentru a ucide majoritatea bacteriilor, virușilor și sporilor lor cunoscuți de noi, este suficient să furnizăm 8 mJ/cm2. Sporii de ciuperci sunt cei mai rezistenți la radiațiile UV, dar vestea bună este că ciupercile patogene au o rezistență mai mică la radiații UV decât sporii bacterieni.

Doza de radiație este calculată ca produs al intensității radiației și al timpului de expunere. Timpul de iradiere necesar poate fi calculat din intensitatea sursei de lumină ultravioletă. De exemplu, dacă un dezinfectant UV cu o iradiere de 70 µW/cm2 este utilizat pentru a ilumina suprafața obiectului la o distanță mică, doza de radiație corespunde cu 100 µJ/cm2, ce poate fi calculat din formula:

 

 

 

 

 

Trebuie reținut faptul că sterilizatoarele UV pot dăuna sănătății și pot afecta negativ vederea sau pielea. Prin urmare, sursa de lumină UV trebuie acoperită și oprită atunci când este deschis capacul camerei de dezinfecție. Dacă sursa de lumină UV este plasată doar pe o parte a obiectului, aceasta trebuie rotită după timpul specificat, astfel încât și cealaltă parte să fie dezinfectată. Dacă utilizați o sursă de lumină UV într-o cameră, cel mai bine este să o porniți atunci când camera este goală. De asemenea, puteți aprinde lumina UV atunci când cineva se află în cameră, dar nu mai mult de 30 de minute, timp în care utilizați echipament de protecție personală (acoperiți pielea, folosiți ochelari cu blocare UV). O sursă internă (plasată în volumul lichidului) sau o sursă externă pot fi utilizate pentru dezinfectarea apei și a altor lichide. Dacă se utilizează o sursă internă, sursa de lumină UV trebuie să fie echipată cu un capac din sticlă de cuarț. Indiferent de metoda adoptată, grosimea stratului de apă trebuie să fie mai mică de 2 cm.

Nu există studii oficiale publicate care să confirme cantitatea de energie necesară pentru neutralizarea virusului care cauzează COVID-19. Cu toate acestea, structura sa este comparată cu virusul hepatitei A, mai rezistent la razele UV-C, pentru care doza de ucidere este mai mică de 7 mJ/cm2. Pe această bază, se estimează că doza necesară pentru neutralizarea coronavirusului, care cauzează boala COVID-19 este de aproximativ 4 mJ/cm2. Aceasta înseamnă că o lampă ultravioletă care emite 1 W/cm2 de radiație UV-C la o distanță de 1 m de suprafață durează 400 de secunde, adică aproximativ 7 minute pentru a o dezinfecta la 90%.

Cameră pentru dezinfectarea telefoanelor inteligente

Diodele emițătoare de lumină care emit radiații UV au fost dezvoltate cu ceva timp în urmă, dar inițial au fost utile în principal pentru excitarea luminoforilor care emit lumină albă. În zilele noastre, mulți producători dezvoltă LED-uri care emit lumină UV de intensitate diferită, potrivită pentru o varietate de aplicații. În ultimii ani, grație dezvoltării tehnologiei semiconductoarelor, puterea luminoasă a acestor surse a crescut semnificativ, ceea ce a extins spectrul aplicațiilor lor.

Diodele UV permit crearea de noi aplicații în care sursele tipice de lumină UV (de exemplu, o lampă cu mercur) nu vor funcționa. Pe de altă parte, un mic LED UVC poate fi montat în rezervorul unui aparat de cafea, care, cu o expunere aproape nelimitată la radiații, inhibă creșterea microorganismelor în apă. În această aplicație, este foarte avantajos să alimentați LED-ul cu o tensiune scăzută, ceea ce elimină riscul de electrocutare. Acest lucru este deosebit de important, deoarece sursa de lumină va funcționa în condiții de umiditate crescută. În plus, durata de viață a LED-urilor elimină necesitatea unui serviciu scump.

Aceleași proprietăți cu LED-uri UV sunt valoroase în purificatoarele de aer compacte sau în aparatele de dezodorizat. În aceste dispozitive, lumina UV-A iradiază catalizatorul acoperit cu dioxid de titan pentru a genera radicali liberi care descompun molecule organice mari. Astfel de purificatoare pot fi montate în frigidere și sisteme de aer condiționat pentru a elimina mirosurile neplăcute. Combinat cu o lumină UV-C germicidă, purificatorul menține sistemul de aer condiționat în stare proaspătă și fără agenți patogeni din aer. În același timp, reduce frecvența de curățare și înlocuire a filtrului.

Figura 1. Schiță a camerei de dezinfecție a smartphone-ului care permite determinarea amplasării LED-urilor în raport cu obiectul dezinfectat (de exemplu, un smartphone)

Unul dintre liderii producătorilor de LED-uri este compania Liteon și, datorită utilizării produselor sale, s-a decis să realizeze o cameră de dezinfecție. Pentru construcția sa, au fost selectate diode de tipul LTPL-G35UVC275GZ. Este o diodă cu o putere maximă de 3W, într-o carcasă ceramică. Unghiul fasciculului care poate fi utilizat în camera construită este de 120°. Puterea ridicată a LED-ului este o garanție a dezinfectării rapide și eficiente. Curentul de alimentare pentru LED este relativ mare, fiind vorba despre 0,35A, iar tensiunea nominală este de obicei de 6,2V. În condițiile aplicației noastre, puterea curentului care alimentează dioda va fi de 2,17W.

Compromisul dintre unghiul fasciculului și dimensiunile exterioare ale camerei proiectate determină distanța dintre LED-ul UV și obiectul dezinfectat. Să presupunem că dimensiunile maxime ale smartphone-ului plasat în cameră sunt de 160×80×12 mm. Figura 1 prezintă o schiță a camerei proiectate. Ipotezele pentru construcția camerei pot fi făcute folosind obiecte grafice – trebuie doar să schițați LED-ul UV, obiectul iluminat și să aranjați aceste componente în consecință. Camera și obiectul nu vor fi mari, deci este mai bine să le faceți la o scară de 1:1. Apoi, utilizați programul sau o riglă pentru a dimensiona desenul și este gata.

Ce puteți învăța din schiță? Diodele UV trebuie instalate cât mai aproape posibil. Această distanță trebuie să fie un compromis, deoarece nu trebuie să uitați că LED-urile sunt destul de puternice și cu siguranță se vor încălzi în timpul funcționării. Prin urmare, s-a decis să se utilizeze 4 LED-uri UV, două în partea de sus și două în partea de jos. Dacă distanța dintre LED-uri este de aproximativ 80 mm, cea mai mică distanță dintre ele și obiect (astfel încât fasciculul UV să acopere întregul smartphone) va fi de 25 mm. Cea mai mică, deoarece afectează direct dimensiunile camerei, sau mai bine zis intenția noastră este de a face camera de dezinfecție ergonomică și cât mai mică posibil. Totuși, trebuie să ne amintim că LED-urile au o putere relativ mare, deci va trebui să aveți grijă de fluxul de aer de răcire. Dacă este necesar, acesta poate fi forțat cu ajutorul unui ventilator.

Figura 2. Proiectarea carcasei în curs

Să încercăm să punem dimensiunile date în figura 1 în câteva ipoteze de proiectare. Pentru ca obiectul să se potrivească în cameră și aceasta să îi lumineze marginile, trebuie prevăzut un anumit spațiu între carcasa camerei și obiect. Să presupunem că acesta va fi de 4 mm. Dacă smartphone-ul are o lățime de 160×80×12 mm și distanța de la obiect la dioda UV este de 25 mm, dimensiunile interne ale camerei vor fi 168×88×62 mm.

Un exemplu de proiectare a camerei este prezentat în figura 2. De asemenea, trebuie să includeți un loc pentru întrerupătorul de siguranță (oprirea luminii UV după deschiderea carcasei), găurile de montare pentru plăcile cu LED UV, găurile pentru fire și conectori, montarea pentru placa electronică, inclusiv butoane, o fereastră pentru afișaj sau alt indicator de timp, balamalele capacului etc. Într-adevăr, designul carcasei camerei de dezinfecție a smartphone-urilor ar putea arăta ca și când ar fi, de exemplu, realizat pe o imprimantă 3D. După cum puteți vedea, partea inferioară a compartimentului are 4 suporturi create pentru a sprijini smartphone-ul. Desigur, acestea pot fi realizate și într-un mod diferit și reproiectate pentru obiectele cel mai frecvent dezinfectate.

Figura 3 prezintă o soluție propusă pentru circuitul de comandă. Inima sa este un microcontroler AVR ATtiny2313 ieftin. Deoarece nu este necesară o sincronizare de înaltă precizie, un generator RC încorporat este suficient. Tranzistorul în regim de comutație, care activează diodele UV este conectat la pinul PD4 configurat ca ieșire. Diodele din diagramă se conectează la soclurile P1 … P4, care nu sunt obligatorii în cazul în care vreți să lipiți diodele pe placă. Este adevărat că utilizarea soclurilor va facilita asamblarea, demontarea și punerea în funcțiune a camerei, dar utilizarea lor nu este obligatorie.

Diodele UV sunt alimentate de o sursă de curent bazată pe popularul și bine-cunoscutul circuit LM317, care funcționează într-o configurație de stabilizator de curent. Această soluție este în multe privințe mult mai bună decât utilizarea unui rezistor. În primul rând, protejează diodele în condiții de temperatură de operare critice și, în al doilea rând, permite alimentarea camerei într-un domeniu larg de tensiune.

În această configurație, curentul de ieșire LM317 este dat de ecuația:

 

 

 

Diodele UV funcționează în conexiune serie-paralel. Tensiunea nominală a acestora este de aproximativ 6,2V. Având în vedere tensiunea necesară pentru funcționarea corectă a LM317 și a comutării tranzistorului, la conectorul de alimentare G1 trebuie conectată o sursă de 15V cu o capacitate de încărcare de 1A sau mai mult. Este posibil să aplicați o tensiune mai mare, dar aveți grijă deoarece excesul de tensiune se va pierde sub formă de căldură, care va trebui disipată într-un fel.

Figura 3. Soluție propusă pentru controlerul camerei de dezinfecție

Microcontrolerul este alimentat de o tensiune de 5V obținută de la stabilizatorul U2 tip 78L05. Interfața cu utilizatorul constă din: butoane S1 … S3, un afișaj pe 7 segmente SEG1 și un comutator de siguranță conectat la soclul P5. Microcontrolerul poate fi programat în sistem utilizând conectorul P6. Afișajul este controlat direct din portul PB al microcontrolerului. Butoanele sunt conectate la cablurile PD0 … PD2, comutatorul de siguranță la PD3, iar tranzistorul, care comandă diodele UV, la PD4.

Software-ul microcontrolerului poate fi scris în orice limbaj pentru microcontrolerele AVR, de exemplu folosind AVR Studio și compilatorul GCC AVR. Însă și Bascom AVR sau altul ar putea fi la fel de populare. Algoritmul de funcționare al programului ar putea fi după cum urmează:

  • La punerea sub tensiune, LED-urile UV sunt oprite și ecranul afișează „0” sau o liniuță orizontală.
  • Utilizatorul stabilește timpul de expunere folosind butoanele „plus” / „minus”. Are la dispoziție un singur ecran, astfel încât timpul de expunere trebuie setat într-un anumit interval, de exemplu la fiecare 15 minute. Astfel, „1” ar putea fi 15 minute, „2” – 30 de minute etc. Puteți folosi și litere, deși timpul „9” de 405 minute pare foarte lung. Cu toate acestea, „a” ar putea dura 420 de minute etc.
  • Apăsați „start” pentru a începe dezinfectarea. În timpul dezinfectării, numărul afișat pe ecran se schimbă la fiecare 15 minute. Sfârșitul dezinfectării este indicat de „0” pe afișaj și – evident – prin oprirea LED-ului UV.
  • Atât înainte de a porni alimentarea, cât și în timpul funcționării, software-ul verifică dacă este închis capacul. Dacă nu, oprește imediat alimentarea LED-ului UV. Închiderea capacului indică scurtcircuitarea cablului PD3 la masă. În cazul în care capacul dispozitivului este deschis în timpul dezinfectării, iradierea este continuată după închidere.

În încheiere

Articolul prezintă conceptul de construire a unei camere de dezinfecție a smartphone-urilor. Soluțiile de mai sus ar trebui tratate doar ca o idee și nu ca un proiect pe care să îl construiți. Pe de altă parte, oricine construiește o astfel de cameră, poate modifica proiectul pentru a se potrivi propriilor nevoi. Carcasa camerei nu trebuie neapărat să fie realizată cu o imprimantă 3D – puteți folosi fie o carcasă gata făcută, fie chiar una din lemn. Cu toate acestea, subliniem că materialul ar trebui să fie rezistent la razele UV. De asemenea, puteți utiliza chiar un timer gata făcut, deși scrierea personală a programului în conformitate cu liniile directoare date în articol poate oferi multe satisfacții. Desigur, în loc de ecranul cu LED-uri puteți utiliza un display LCD, care poate oferi mult mai multe informații, iar în locul butoanelor, puteți utiliza un encoder cu buton, care va include întreaga funcționalitate a interfeței cu utilizatorul.

Pentru alimentarea LED-ului UV trebuie utilizată o sursă de curent. Indiferent de tensiunea de prag a joncțiunilor diodei, (care se schimbă ca urmare a încălzirii structurii semiconductoare), aceasta va menține un curent de alimentare constant. Acest lucru are un impact uriaș asupra durabilității diodelor, care sunt mult mai scumpe decât LED-urile standard.

Sursă:  https://www.tme.eu/ro/news/library-articles/page/42464/LED-uri-pentru-sterilizare-cu-lumina-UV-C/

Transfer Multisort Elektronik   |    https://www.tme.eu

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre