Разработка макетного образца светодиодного источника ультрафиолетового излучения

Кузнецов Евгений Александрович

Разработка макетного образца светодиодного источника ультрафиолетового излучения

Ключевые слова: светодиодная лампа, люминесцентная лампа, колба, драйвер, светодиод, энергетический поток, мощность, спектр излучения, макетный образец, цоколь

Электротехника

Дипломы

Вуз: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

ID: 5d9f41607966e1055190811e

UUID: f11a2b60-cd98-0137-f2d3-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: около 5 лет назад

Просмотры: 58

Кузнецов Евгений Александрович

Источник: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва"

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 3,8 МБ

Поделиться работой

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 6 1 Источники ультрафиолетового излучения – разрядные ртутные лампы низкого давления 8 1.1 Бактерицидные лампы 8 1.2 Эритемные лампы 18 1.3 Ультрафиолетовые лампы специального назначения 24 2 Светодиодные источники оптического излучения 31 2.1 Принцип работы ультрафиолетовых светодиодов 31 2.2 Устройство и конструкции светодиодов 33 2.3 Светодиодные источники ультрафиолетового излучения 36 3 Создание макетного образца СД источника УФ излучения 43 3.1 Выбор компонентов для создания макетного образца светодиодного источника ультрафиолетового излучения 43 3.1.1 Выбор колбы 44 3.1.2 Подбор светодиодов 49 3.1.3 Выбор источника питания 51 3.1.4 Подбор цоколей 57 3.2 Сборка макетного образца 4 Проведение экспериментальных 59 исследований макетного образца светодиодного источника ультрафиолетового излучения 4.1 Описание метрологического комплекса 64 64 4.2 Определение времени стабилизации характеристик макетного образца 69 4.3 Измерение энергетического потока и мощности 71 4.3.1 Методы измерений энергетического потока излучения 71 4.3.2 Методы измерений электрических параметров 73 4.3.3 Измерение начальных параметров макетного образца 75 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 4

4.4 Исследования спектральных характеристик ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 80 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. 75 Лист № докум. Подпись Дата Лист 5

ВВЕДЕНИЕ Светодиодные ультрафиолетовые лампы в качестве источника излучения используют ультрафиолетовые светодиоды. Светодиодная лампа является одним из самых экологически чистых источников света. Принцип свечения светодиодов позволяет применять в производстве и работе лампы безопасные компоненты. Светодиодные лампы не используют веществ, содержащих ртуть, поэтому они не представляют опасности в случае выхода из строя и повреждения колбы. Области, где используются источники ультрафиолетового излучения, разнообразны: сельское хозяйство, медицина, промышленность, криминалистика, полиграфия и другие. Каждое направление использует только те лампы, которые подходят под их специфические цели. Медицина активно эксплуатирует способность ультрафиолета убивать микроорганизмы и бактерии. В кабинетах и палатах больниц проводят дезинфекцию воздуха в помещении с помощью УФ лучей бактерицидной лампы. Воздействие излучения УФ-ламп на воду убивает болезнетворные вирусы и бактерии без изменения вкуса жидкости. Рабочий диапазон 250-280 нм обеспечивает стерилизацию воздуха и воды, разрушая ДНК опасных микроорганизмов. В полиграфии УФ-лампы применяются для быстрой сушки красок и лаков, для получения высококачественного глянца. Проверка денежных купюр, акцизных марок, ценных бумаг и другой защищенной продукции – это еще одна сфера применения ультрафиолетовых ламп. магазинов, банках, обменных пунктах используются В кассах портативные ультрафиолетовые детекторы, предназначенные для визуальной проверки купюр. С помощью ультрафиолетового излучения криминалисты могут обнаруживать следы различных веществ (крови, взрывчатки, отравляющих веществ и т.д.), невидимые в обычном свете, следы изменения в документах БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 6

и многое другое. Ультрафиолетовые лампы также могут применяться для облучения домашних питомцев из теплых стран, где солнце ярко светит круглый год. Целью бакалаврской работы является разработка макетного образца светодиодной ультрафиолетовой лампы для прямой замены люминесцентной лампы ЛУФТ 10 П. Задачами данной бакалаврской работы являются: – анализ источников ультрафиолетового излучения отечественного и зарубежного производства; – анализ конструкций и характеристик ультрафиолетовых светодиодов; – создание макетного образца ультрафиолетовой лампы; – исследование электрических и энергетических характеристик макетного образца. Новизна бакалаврской работы – это создание макетного светодиодного аналога ультрафиолетовой люминесцентной лампы ЛУФТ 10 П, результаты экспериментальных исследований макетного образца, сравнение измеренных характеристик макетного образца с характеристиками ультрафиолетовой лампы ЛУФТ 10 П. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 7

1 Источники ультрафиолетового излучения – разрядные ртутные лампы низкого давления Источники оптического излучения в УФ области спектра широко применяются практически во всех областях жизнедеятельности человека: – медицина; – дезинфекция воздуха, воды и поверхностей; – уничтожение бактерий, вирусов; – воспаление дефицита витамина D в организме; – ловля насекомых; – косметология; – пищевая промышленность; – полиграфия; – криминалистика; – сельское хозяйство для облучения животных и птиц и т.д УФ излучение занимает спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Спектр УФ - излучения делится на три диапазона [19]: – UV-A - длинноволновое (315 - 400 нм); – UV-B - средневолновое (280 - 315 нм); – UV-C - коротковолновое (100 - 280 нм). 1.1 Бактерицидные лампы Бактерицидное излучение – электромагнитное излучение ультрафиолетового диапазона длин волн в интервале от 205 до 315 нм, вызывающее гибель бактерий [7]. Необратимая коагуляция белка бактерий, возникающая в результате действия на них УФ излучения, приводит к гибели бактерий. Способность УФ излучения убивать бактерии принято называть БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8

бактерицидностью. Бактерицидными свойствами обладают далеко не все излучения, так как для разрыва связей молекул белкового вещества бактерий необходима значительная энергия — порядка 377*103 Дж*моль-1, что соответствует энергии фотонов УФ излучения с длиной волны λ = 300 нм. Как показывает опыт, наибольшей бактерицидной эффективностью обладают УФ излучения с длинами волн 254 - 258 нм. На рисунке 1.1 приведены графики зависимости уничтоженных бактерий монохроматическими излучениями с различными длинами волн в функции энергетической экспозиции. Рисунок 1.1 - Зависимости уничтоженных бактерий монохроматическими излучениями с различными длинами волн в функции энергетической экспозиции Из анализа этих графиков можно сделать следующие выводы: – при уменьшении и увеличении длины волны излучения по сравнению с длинами волн оптимальной зоны спектра (254 – 258 нм) происходит резкое снижение бактерицидной эффективности излучения; – прирост количества уничтоженных бактерий в первом приближении пропорционален увеличению логарифма энергетической экспозиции, причем БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 9

коэффициент пропорциональности этой зависимости практически одинаков для всех длин волн; – 10 - 20 - кратное увеличение энергетической экспозиции, необходимой для уничтожения 10% общего числа бактерий, приводит практически к полному их уничтожению. Рассматривая бактерии как некоторый специфический приемник энергии излучения, можно характеризовать его относительной спектральной чувствительностью, определяемой отношением минимального значения энергетической экспозиции с λ = 254 нм и энергетической экспозиции с заданной длиной волны, обеспечивающей такое же бактерицидное действие. Кривая относительной спектральной бактерицидной эффективности излучения (таблица 1.1) была установлена по результатам исследования действия излучения на бактерии различных разновидностей [2]. Пользуясь значениями относительной бактерицидной эффективности излучения, можно создать систему бактерицидных величин и единиц. Т а б л и ц а 1.1 – Относительная спектральная бактерицидная эффективность излучения Vбк (λ) λ, нм V б к (λ) в областях УФ-С и УФ-В λ, нм 220 230 240 248 250 254 260 265 270 275 280 285 289 290 295 297 300 0,25 0,40 0,63 0,84 0,91 1,00 0,99 0,96 0,87 0,72 0,58 0,43 0,31 0,30 0,17 0,10 0,06 302 300 310 313 315 320 325 330 334 340 350 360 365 370 380 390 400 V б к (λ) в областях УФ-С и УФ-В УФ-А 0,045 0,030 0,013 0,006 0,003 — — — — — — — — — — — — БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата — — 0,00200 0,00300 0,00400 0,00250 0,00160 0,00130 0,00090 0,00046 0,00030 0,00023 0,00019 0,00015 0,00012 0,00010 Лист 10

Согласно принятому положению бактерицидный поток определится как поток излучения, оцениваемый по его бактерицидному действию, т.е. по способности уничтожать бактерии: 400 нм Фбк = ∫200 нм 𝜑е (𝜆)𝐾бк 𝑑𝜆 (1.1) где 𝜑е - спектральная плотность потока излучения; 𝐾бк – функция бактерицидной эффективности излучения, бк*Вт-1. Единицей бактерицидного потока принято считать бакт (бк), численно равный бактерицидному потоку ультрафиолетового излучения мощностью 1 Вт с длиной волны 𝜆 = 254 нм. Вследствие очень высокой активности УФ излучений на практике приходится встречаться с бактерицидными потоками, составляющими тысячные и миллионные доли бакта, поэтому часто пользуются производной единицей – микробактом (мкбк). В разработанном в настоящее время проекте стандарта «Излучение ультрафиолетовое. Величины и единицы. Термины и определения» единицами бактерицидного потока и бактерицидной энергии приняты «Ватт бактерицидного потока» и «Джоуль бактерицидной энергии». Безразмерная в этом случае функция 𝐾бк (𝜆) обозначена 𝑉бк (𝜆). Измерение плотности бактерицидного облучения обычно производится фотоэлементом с исправляющими фильтрами. Вследствие трудности подбора исправляющих пропускания фильтров бактерицидного для излучения обеспечения часто узкой пользуются полосы методом измерения яркости люминофора (силикат цинка) с кривой возбуждения, близкой к кривой бактерицидной эффективности излучения. В этом случае перед фотоэлементом устанавливается черный фильтр из увиолевого стекла УФС-1, за которым располагается люминесцирующее вещество, яркость которого определяет ток фотоэлемента, расположенного за люминофором. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 11

Для зашиты фотоэлемента от действия длинноволнового ультрафиолета, крайних фиолетовых и красных, а также инфракрасных лучей, проходящих через УФС-1 и слой люминофора, между ним и фотоэлементом помещаются оранжевый фильтр ОС-8 и сине-зеленый фильтр СЗС-9. Фильтр ОС-8 предназначен для поглощения фиолетовых н ультрафиолетовых излучений, а фильтр СЗС-9 – красных и инфракрасных. Такой прибор, предложенный Д. II. Лазаревым и П. П. Захаровым (ГОИ), можно непосредственно градуировать по плотности бактерицидного облучения. Источником бактерицидного излучения может служить любая ртутная лампа низкого и высокого давлений с колбой из кварца или увиолевого стекла Бактерицидные лампы - это ртутные разрядные лампы низкого давления, колбы которых выполнены из увиолевого стекла, прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм (коротковолновое излучение UV-C) обладающего наибольшим бактерицидным действием. При этом колба ламп не пропускает ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 200 нм, что исключает образование озона. Специальная защитная пленка, нанесенная на внутреннюю поверхность колбы, обеспечивает стабильную работу ламп на протяжении всего срока службы, а специальная защитная пленка, нанесенная на внешнюю поверхность колбы, при повреждении ламп предотвращает распространение осколков стекла и паров ртути, вредных для организма человека. Наличие защитного пленочного покрытия делает лампы экологически безопасными в использовании. Такие лампы (рисунок 1.2) имеют обозначение ДБ 55 П (Д дуговая, Б - бактерицидная, 55 - мощность в Ваттах, П - покрыта защитной пленкой) (таблица 1.2). БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 12

Рисунок 1.2 – Бактерицидная лампа типа ДБ В таблице 1.2 представлены характеристики бактерицидных ламп, выпускаемых отечественной промышленностью. Т а б л и ц а 1.2 – Параметры бактерицидных ламп типа ДБ, выпускаемых отечественной промышленностью Тип лампы ДБ-15 ДБ-30-1 ДБ-60 (в увиолевом стекле) ДБР-8 (в кварцевом стекле) ДБ 55 П Мощность, Вт 15 30 Напряжение на лампе, В 54 104 Бактерицидный Продолжительность поток, бк горения, ч 2,0 2000 6,0 3000 60 100 8,0 2000 8 58 3,0 4000 55 80 17,0 9000 Спектр излучения бактерицидных ламп линейчатый с мощной линией λ = 254 нм, поток которой составляет примерно 80% всего излучаемого потока лампы (таблица 1.2). Остальные линии ртути, расположенные в полосе поглощения бактериями, обладают очень малой эффективностью, вследствие чего их бактерицидный поток составляет менее 0,3% бактерицидного потока линии 254 нм. Широкую номенклатуру бактерицидных ламп выпускает НИИС им. А. Н. Лодыгина (таблицы 1.3 – 1.5) [8]. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 13

Т а б л и ц а 1.3 – Лампы ртутные низкого давления бактерицидные Тип лампы Мощность, Вт Напряжение на лампе, В ДБ 4 М ДБ 6 М ДБ 8 М ДБ 15 М ДБ З0 М ДБ 36 М ДБ 60 М ДБ75-2 4 6 8 15 30 36 60 75 29 42 56 54 104 103 100 100 Сила тока, А 0,17 0,16 0,15 0,33 0,36 0,43 0,70 0,89 Поток излучения, Вт 0,7 1,5 2,1 4,0 10,0 12,5 18,0 26,0 Продолжительность горения, ч 5000 5000 2000 9000 9000 9000 9000 12000 Т а б л и ц а 1.4 – Лампы ртутные низкого давления кварцевые бактерицидные Тип лампы Мощность, Вт Напряжение на лампе, В ДБК 4 ДБК 6 ДБК 8 ДБК 18 ДБК 30 ДБК 36 ДБК 60 ДБК 75 4 6 8 18 30 36 60 75 29 42 58 60 104 122 100 108 Т а б л и ц а 1.5 – Лампы Сила тока, А 0,15 0,16 0,18 0,35 0,36 0,38 0,70 0,84 ртутные Поток излучения, Вт 0,6 1,8 3,1 6,5 10,0 11,0 18,0 26,0 Продолжительность горения, ч 2000 3000 3000 4000 8000 8000 8000 8000 низкого давления компактные бактерицидные Тип лампы Мощность, Вт Напряжение на лампе, В Сила тока, А Поток излучения, Вт ДКБ 5 ДКБУ 5 ДКБ 7 ДКБУ 7 ДКБ 9 ДКБУ 9 ДКБ 11 ДКБУ 11 5 5 7 7 9 9 11 11 34 34 45 45 60 60 90 90 0,185 0,185 0,180 0,180 0,170 0,170 0,155 0,155 1,1 1,1 1,5 1,5 2,4 2,4 3,6 3,6 Параметры бактерицидных ламп зарубежного производства (фирмы Phillips) представлены в таблице 1.6 [10]. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 14

Т а б л и ц а 1.6 – Параметры бактерицидных ламп фирмы Phillips Тип лампы TUV 8W FAM/10X25BOX TUV 11W 4P SE UNP/32 TUV 11W FAM/10X25BOX TUV 16W FAM/10X25BOX Мощность, Вт Напряжение на лампе, В Излучение УВС, Вт Продолжительность горения, ч 8 56 2,4 11000 11 43 2,6 11000 11,5 34 2,6 11000 15 43 4,0 11000 Линейка ламп TUV TL Mini компании Phillips представлена на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 - Линейка ламп TUV TL Mini компании Phillips Бактерицидные лампы применяются для: – очистки воздуха; – дезинфекции комнат, – дезинфекции медицинских предметов; – обеззараживания воды; – дезинфекции столовых приборов и посуды; – общего улучшения микроклимата. Обеззараживание воздуха бактерицидными лампами проводят в помещениях лечебных и детских учреждений, а также в помещениях с массовым пребыванием людей (школы, театры, магазины и пр.). В тех случаях, когда обеззараживание воздуха происходит в присутствии людей, необходимо предусмотреть верхний предел плотности бактерицидного облучения в тех зонах, где находятся люди. Это ограничение необходимо БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 15

потому, что чрезмерная доза бактерицидного облучения может вызывать повышенную эритему кожи, воспаление слизистых оболочек глаз, а также раздражение слизистых оболочек дыхательных путей озоном, получающимся в результате фотополимеризации молекул кислорода воздуха при поглощении ими УФ-излучения. Учитывая это, следует избегать плотности бактерицидного облучения в зоне пребывания людей более Ебк = 0,5*104 мкбк*м-2 при ежедневном пребывании людей в облучаемом помещении 8 ч. Как показывают опыт и расчеты бактерицидных установок, этим требованиям соответствует удельная объемная мощность установки с бактерицидными лампами 0,75 - 1 Вт*м-3. Лампы, экранированные от глаз людей, находящихся в помещении, защитной решеткой или алюминиевым отражателем, располагаются в верхней части облучаемого помещения. В помещениях детских учреждений для обеззараживания воздуха рекомендуется использовать излучение, отраженное от потолка и верхней части стен. При наличии в помещениях организованного воздухообмена целесообразно бактерицидные лампы размещать в приточных воздуховодах из расчета 2 - 3 Вт*м-3объема вентилируемого помещения. Большой практический интерес представляют установки для обеззараживания питьевой воды. Как показывает опыт эксплуатации таких установок, замена хлорирования воды бактерицидным облучением снижает стоимость очистки воды и обеспечивает отсутствие специфического запаха н привкуса, неизбежных при хлорировании. В напорных водопроводных системах бактерицидные излучатели помещаются в потоке воды. Для защиты излучателей от охлаждения протекающей водой лампы устанавливаются внутри цилиндрических кварцевых чехлов, которые размещаются в камерах, последовательно обтекаемых водой (рисунок 1.3) Камеры включаются в главный трубопровод водопроводной системы. При помощи перегородок, расположенных внутри каждой камеры, происходит перемешивание воды и направление водяных БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 16

потоков таким путем, чтобы вся масса текущей воды дважды приближалась непосредственно к кварцевому чехлу излучателя. Число последовательно включенных обеззараживающих камер и мощность лампы каждой камеры определяются производительностью водопровода и степенью загрязнения воды взвешенными частицами. Для водопроводов с большой производительностью в проектах типовых установок бактерицидного облучения следует предусмотреть лампы большой мощности типа ДРТ. На рисунке 1.4 приведена схема обеззараживающей облучательной установки в водопроводной системе. Каждая секция из пяти облучательных камер с лампами ДРТ-1000 мощностью 1000 Вт обеспечивает производительность 180 м3*ч-1. 1 – ртутно-кварцевые лампы высокого давления типа ДРТ-1000; 2 – кварцевые цилиндрические чехлы; 3 – перегородки для смешения воды; 4 – корпуса камер; 5 – переходные патрубки; 6 – трубопровод Рисунок 1.4 – Схема устройства установки для обеззараживания воды БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 17

1.2 Эритемные лампы Эритемное излучение – ультрафиолетовое (УФ) излучение, заключенное в спектральной области спектра от 280 до 380 - 400 нм и оказывающее в малых дозах полезное действие на организм человека и животных. Практика применения оптического излучения для лечебных целей основана на опыте тонизирующего и терапевтического действия солнечных лучей. Широкое применение фототерапии за последние 50 лет позволило установить главенствующую роль УФ излучения в терапевтическом и тонизирующем действии на организм человека. В настоящее время известно действие УФ излучения на обмен веществ, дыхательные процессы, активизацию кровообращения, повышение содержания гемоглобина в составе крови, а также на активизацию деятельности желез внутренней секреции и на другие функции человеческого организма. Активизация многих функций организма в результате поглощения фотонов УФ излучения обеспечивает оздоровительное и тонизирующее влияние на человека [12]. В настоящее тонизирующем и время принято терапевтическом считать, что главную действии УФ излучения роль в играют расширение кровеносных сосудов и последующие за этим реакции организма в результате действия гистамина. На основании этого мерой тонизирующего и терапевтического действия излучения принято считать степень покраснения кожи в результате ее облучения. Покраснение кожи в результате воздействия на нее УФ излучения и воспаленное состояние облученного участка тела принято называть эритемой. Эритема наступает по истечении нескольких часов (2 - 5) после облучения, что отличает ее от гиперемии — покраснения кожи в результате теплового действия видимых и инфракрасных излучений [13]. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 18

Значение эритемной экспозиции, возбуждающей едва заметное покраснение кожи незагорелого человека (эритема первой степени), принято называть эритемной дозой или биодозой. При увеличении эритемной экспозиции сверх биодозы краснота переходит в воспалительный процесс, достигающий болезненного ожога при 4 - 5 дозах облучения и появления волдырей на коже при 8 - 10 дозах. Условность понятия биодозы, широко применяемого в терапевтической практике, определяется приближенностью закона Бунзена Роско применительно к общебиологическому действию УФ излучения. Практикой установлено, что пороговая эритема наблюдается при 1 биодозе лишь в тех случаях, когда время облучения не менее 10 с и не более 1 ч. При малых плотностях облучения, когда время действия излучения, соответствующее одной биодозе, равно нескольким часам, продукты фотохимических реакций, вызывающие эритему, будут частично восстанавливаться или удаляться из организма в результате обмена веществ, что приведет к ослаблению биологического действия излучения. При малом времени облучения биологическая эффективность излучения понижается вследствие уменьшения эффективного поглощения фотонов УФ излучения в эпидермисе облучаемого участка кожи. Как показывает опыт, эритемная эффективность неодинакова для монохроматических излучений различных длин волн (таблица 1.7). Максимальной эффективностью обладают излучения с длиной волны λ = 297 нм. Значения относительной эритемной эффективности монохроматических излучений были определены величиной, обратной эритемной дозе. Максимум эритемной эффективности, принятый условно за единицу, соответствует излучению с длиной волны λ = 297 нм. Наличие резкой избирательной эритемной эффективности следует объяснить различной глубиной проникновения излучения и различием спектров активного поглощения излучения тканями организма. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 19

Т а б л и ц а 1 . 7 - Относительная спектральная эритемная эффективность излучения V э р (λ) V э р (λ) в областях λ, нм УФ-В УФ-А 280 — — 285 0,09 289 λ, нм V э р (λ) в областях УФ-В УФ-А 320 — 0,01 — 325 — 0,007 0,25 — 330 — 0,005 290 0,31 — 334 — 0,004 295 0,98 — 340 — 0,003 297 1,00 — 350 — 0,002 300 0,83 — 360 — 0,0014 302 0,55 — 365 — 0,0012 305 0,33 — 370 — 0,0011 310 0,11 — 380 — 0,0007 313 0,025 0,005 390 — 0,0003 315 0,01 0,008 400 — — Существенным фактором тонизирующего и терапевтического действия излучения является образование из эргостерина и холестерина витамина D. Недостаток в организме человека витамина D, возникающий часто в северных районах в результате ультрафиолетовой недостаточности, вызывает расстройство фосфорно-кальциевого обмена и другие патологические сдвиги, приводящие, в особенности в детском возрасте, к рахиту. Как показали многочисленные наблюдения, систематические облучения организма ликвидируют недостаток витамина D и этим уничтожают все последующие патологические сдвиги в организме. Процесс образования витамина D при облучении организма принято рассматривать как первичный этап антирахитного действия излучения. Эффективность этого вида тонизирующего и терапевтического действия также неодинакова для однородных излучений различных длин волн. На рисунке 1.5, кроме кривой спектральной эффективности образования витами- БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 20

на D (кривая 3), изображены кривые спектральной эритемной и бактерицидной эффективности излучения, а также кривая эффективности безэритемной пигментации (спектральная кривая загарного действия). 1 – бактерицидная; 2 – эритемная; 3 – антирахитная; 4 – загарная. Рисунок 1.5 – Относительная спектральная эффективность в функции длины волны излучения Приняв за основу оценки эффективности общебиологического действия излучения критерий эритемного действия, можно ввести понятие о новой системе эффективных величин – системе эритемных величин и единиц для их измерения. Создание такой системы приведет к упрощению оценки эффективности источников излучения для установок тонизирующего и терапевтического облучения, а также методов проектирования и расчета таких установок. Согласно принятой методике построения системы эффекти- БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 21

вных величин эритемным потоком принято считать поток излучения, оцениваемый по его общебиологическому действию на организм человека, сопровождаемому образованием эритемы на облучаемых участках кожи: 0.40 мкм Фэр = ∫0.28 мкм 𝜑е (𝜆)𝐾эр 𝑑𝜆 (1.2) где 𝜑е - спектральная плотность потока излучения; 𝐾эр – функция эритемной эффективности излучения, эр*Вт-1. Единицей эритемного потока принято считать эр, численно равный эритемному потоку ультрафиолетового излучения с длиной волны λ = 297 нм и мощностью 1 Вт. На практике обычно пользуются дробной единицей – миллиэром (мэр). Минимальная эритемная экспозиция, вызывающая эритему первой степени, называемая эритемной дозой (биодозой), численно равна 300 эр*м-2. Для создания установок эритемного облучения в настоящее время широко применяются ртутные эритемные лампы, предназначенные для использования УФ излучения; они разработаны и изготовляются отечественной промышленностью двух типов: низкого (таблица 1.8) и высокого давления с отражающим покрытием (таблица 1.9) в колбах из увиолевого стекла. Эритемные люминесцентные лампы излучают в области 300 - 310 нм. Используются люминофоры Э1 (фосфат кальция и цинка, активированный таллием - 312 нм), Э2 (фосфат кальция, цинка, магния, активированный таллием) или Э3 (силикат бария, цинка, активированный свинцом - 300-305 нм). Лампы мощностью 30 и 40 Вт - рефлекторные; 15 и 30 Вт – обычного исполнения. Трубка-колба изготавливается из увиолевого стекла, пропускающего УФ-излучение. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 22

Таблица 1.8 – Параметры эритемных ртутных люминесцентных ламп низкого давления Тип лампы ЛЭ-15 ЛЭ-30-1 ЛЭР-30 ЛЭР-40 Эритемная Мощность, Напряжение сети, Эритемный Продолжительоблученность, Вт В поток, мэр ность горения, ч мэр*м-2 15 127 - 220 300 32 1500 30 220 750 75 5000 30 220 1000 120 3000 40 220 1600 140 1500 Таблица 1.9 – Параметры эритемных ртутных ламп высокого давления с внутренним отражающим покрытием в колбах Тип лампы ДРВЭД-220250 ДРВЭД-220250-2 ДРВЭД-220250-3 Мощность, Напряжение Эритемный Вт сети, В поток, мэр Эритемная ПродолжитеСветовой облученносльность поток, лм -2 ть, мэр*м горения, ч 250 220 550 120 3150 1500 250 220 600 100 3250 1500 250 220 400 2000 3150 1500 Эритемные лампы применяются в сельском хозяйстве, медицине, технике, а также для облучения людей, работающих в помещениях без естественного света, для устранения ультрафиолетовой недостаточности. Лампы люминесцентные эритемные включаются в сеть с помощью пускорегулирующей аппаратуры (ПРА). Эритемные лампы высокого давления со встроенным балластом (в виде спирали лампы накаливания) и внутренним отражающим покрытием включаются в сеть U = 220 В без ПРА. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 23

1.3 Ультрафиолетовые лампы специального назначения Широкая номенклатура УФ источников излучения выпускается для специфических способов применения. Лампы в «черном» стекле применяются для исследования материалов с помощью люминесценции: в криминалистике, для выявления подлинности банкнот, для создания световых эффектов. Внутренняя поверхность колбы люминесцентных ламп (ЛЛ) "Черного света" покрыта люминофором, испускающим длинноволновое УФ излучение, возбуждающее свечение люминесцирующих материалов. Темно-синяя стеклянная колба пропускает УФ - А излучение. Излучение в видимом диапазоне сведено к минимуму, чтобы оно не мешало люминесцентному излучению облучаемого материала. Лампы черного света 'ТL (D)/08 выполнены в линейных трубчатых колбах и работают в сети переменного тока с ПРА и стартером. Лампа РL-S 9W/08 состоит из двух спаянных вместе люминесцентных трубок; лампа РL-S 9W 2P дополнительно содержит встроенный в цоколь стартер, обеспечивающий быстрое зажигание лампы (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 - Люминесцентные лампы "Черного света" БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 24

Области применения люминесцентные лампы "Черного света": – контроль и анализ в текстильной и химической промышленности; – археология; – банковское дело; – криминалистика; – пищевая промышленность; – медицина; – минералогия; – филателия; – специальные эффекты в ночных клубах, дискотеках и театрах; – подсветка вывесок. За рубежем выпускаются Актиничные ЛЛ, цвет /05. Лампы 'TL' /05 испускают излучение в диапазоне длин волн между 300 и 460 нм с максимумом в 365 нм. Лампы 'TL' /05 предназначены для применения в диазотипных машинах. Спектр излучения ламп 'TL' /05 привлекает насекомых, поэтому их можно использовать в ловушках для насекомых. Области применения ламп 'TL' /05: – диазотипные (полиграфические) машины; – ловушки для насекомых; – фотохимические процессы. Сверхактиничные, цвет /03 - это трубчатые ртутные лампы низкого давления. Стенка трубки покрыта изнутри люминофором. Люминофор превращает коротковолновое УФ излучение ртутного разряда в полезное актиничное излучение. Лампы 'TL' /03 дают излучение в диапазоне длин волн 380-480 нм с максимумом в 420 нм. Спектральное распределение излучения ламп 'TL' /03 соответствует спектральной чувствительности ряда специальных бумаг, используемых в диазотипных машинах. Лампы 'ТL' /03 'АQUA СОRАL' вместе с полноспектральными люминесцентными лампами БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 25

дневной цветности могут использоваться для воспроизведения красоты аквариумов с морской водой. Области применения ламп 'TL' /03: – диазотипные копировальные машины; – аквариумы с морской водой; – фототерапия (лечение желтухи у новорожденных младенцев). Трубчатые малогабаритные лампы CLEO Compact, так называемые спагетти, испускают излучение, сконцентрированное в диапазоне длин волн 300-400 нм. Лампы производятся с двумя различными соотношениями излучений УФ-В / УФ-А, а именно, 1.2 % и 2.3 % (УФ-В диапазон: 280-315 нм). Для УФ-В диапазона 280-320 нм эти отношения составляют 2.1 % и 3.5 %, соответственно. Более высокое отношение УФ-В / УФ-А обозначается символом - S (Super) в типе лампы. Рефлекторные (-R) типы ламп имеют внутренний отражатель с поперечным углом охвата 200°, что увеличивает интенсивность прямого излучения лампы на 70 %. Компактная одноцокольная лампа РL-L, дающая УФ излучение в диапазоне 300-400 нм, состоит из двух спаянных трубок, помещенных в четырех-штырьковый цоколь (2G11). Лампа работает со стандартным ПРА для ламп 36/40 Вт и со стартером S10. Отношение УФ-В / УФ-А лампы РL-L равно 1.2 % (УФ-В диапазон: 280-315 нм) или 2.1 % (УФ-В диапазон: 280-320 нм). Области применения CLEO Compact: – облучатели для загара / пигментации кожи; – ловушки для насекомых; – фотохимические процессы. Лампы CLEO Effect являются первыми представителями нового поколения ламп для загара. В отличие от других ламп СLЕО, лампы CLEO Effect выполнены в трубках Т8 (диаметр 26 мм). Лампы дают длинноволновое УФ излучение в диапазоне 300 - 400 нм. Соотношение излучений в диапазонах УФ-В / УФ-А составляет 1.0 % (УФ-В диапазон: 280- БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 26

315 нм) или 2.0 % (УФ-В диапазон: 280 - 320 нм). Достоинством этих ламп является равенство мощностей эритемных излучений в диапазонах до 320 им и свыше 320 нм. Эти лампы создают максимальный уровень облученности в диапазонах, 335-2-27. Ртутные люминесцентные лампы низкого давления CLEO Performance, дающие длинноволновое УФ излучение в диапазоне 310 - 400 нм, предназначены для загара и других применений. Отношение излучений в диапазонах УФ-В / УФ-А составляет 0.7 % (УФ-В диапазон: 280-315 нм) либо 1.4 % УФ-В диапазон: 280-320 нм). Все лампы CLEO Performance имеют цоколи золотистого цвета. Рефлекторные (-R) лампы имеют внутренний отражатель с поперечным углом охвата 200°. Области применения ламп CLEO Performance: - косметический загар. - фотохимические процессы. Лампы ЛУФТ (люминесцентные ультрафиолетовые трубчатые) излучают в диапазоне длин волн 350-400 нм (длинноволновое излучение УФA). На внутреннюю поверхность прозрачной колбы и колбы из «черного» стекла нанесен люминофор, обеспечивающий генерацию ультрафиолетового излучения в диапазоне 350-400 нм. Лампы применяются в установках, использующих фотохимическое и биологическое действие УФ излучения, для отверждения пластмасс, в полиграфии, в ловушках для ловли насекомых Лампы в «черном» стекле применяются для исследования материалов с помощью люминесценции:в криминалистике, для выявления подлинности банкнот, для создания световых эффектов. Лампы таккже применяются в полиграфии, для шелкографической печати, в автосервисе для ремонта фар и автостекл, медицинских облучательных установках; в облучательных установках, использующих фотохимическое и биологическое действие УФ – излучения; и с целью компенсации УФ-недостаточности в животноводческих закрытых помещениях во время зимнего содержания животных; терапевти- БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 27

ческих облучателях косметологических аппаратах; соляриях и т.д. Характеристики ламп ЛУФТ, выпускаемых НИИС им. А. Н. Лодыгина представлены в таблице 1.10 [16]. Т а б л и ц а 1.10 - Характеристики ламп ЛУФТ, выпускаемых НИИС им. А. Н. Лодыгина Тип лампы ЛУФТ 4 ЛУФТ6 ЛУФТ 8 ЛУФТ 10 /ЛУФТ 10 П ЛУФТ 15/ЛУФТ 15 П ЛУФТ 18 / ЛУФТ 18 П ЛУФТ 30/ЛУФТ 30 П ЛУФТ36/ЛУФТ 36 п ЛУФТ 40/ЛУФТ 40 П ЛУФТ 80/ЛУФТ 80 П ЛУФЧ 4 ЛУФЧ6 ЛУФЧ 8 В Мощность, Вт Напряжение на лампе, В Сила тока, А Продолжительност ь горения, ч 4 6 8 29 42 56 0,170 0,160 0,145 1500 1500 1500 Поток излучения (λ = 320 – 400 нм), Вт 0,40 0,60 0,80 10 45 0,230 2000 0,70/0,60 15 55 0,310 2000 1,50/1,30 18 57 0,370 2000 1,80/1,50 30 96 0,370 4000 3,00/2,60 36 103 0,430 2000 3,60/3,10 40 52 0,840 4000 5,60/4,80 80 102 0,850 4000 10,5/8,90 4 6 8 29 42 56 0,170 0,160 0,170 2000 2000 2000 0,45 0,70 1,20 условном обозначении буквы и числа обозначают: Л – люминесцентная; УФ – ультрафиолетовая; Т – трубчатая; П- пленочная; Ч - в колбе из «черного» стекла; число - номинальная мощность в ваттах; число после дефиса - номинальная мощность в ваттах; 1-2 – отличительная способность. Спектр излучения ламп ЛУФТ представлен на рисунке 1.7. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 28

Рисунок 1.7 – Спектр излучения ламп ЛУФТ В лампах ЛУФТ применяется люминофор ФЛ-370. Люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение ртутного разряда диапазона 253,7 нм в более длинноволновый диапазон УФ-А. Люминофор эффективен в рабочем режиме УФ-люминесцентных ламп различной мощности от 8 до 80 Вт. Порошковый материал изготавливается на основе фторбората стронция. Максимум интенсивности в спектре излучения данного люминофора приходится на 370 нм, полуширина спектра излучения составляет 20 нм, средний размер частиц 6 - 8 мкм. Достоинством люминофора ФЛ-370 является многоаспектность применения люминесцентных ламп с этими люминофором, обусловленная как требуемым (по спектру) УФ-излучением последних, так и их достаточной эффективностью. Люминофор ФЛ-370 применяется в качестве люминофорного покрытия УФ-люминесцентных ламп, использующихся в специальных целях, например: – в медицине для фототерапии кожных заболеваний (в частности, псориаза); БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 29

– в косметике для получения искусственного загара; – для проведения фотополимеризации, сушки, отверждения и других технологических процессов (в частности, в лакокрасочной промышленности, в технике зубного протезирования, при дефектоскопии металлов); – для повышения продуктивности животных и дезинсекции; – для проверки ценных бумаг; – для создания декоративно-рекламных эффектов в освещении. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 30

2 Светодиодные источники оптического излучения Светодиод – это полупроводниковый источник оптического излучения, который излучает свет при прохождении через него тока. Электроны в полупроводнике рекомбинируют с электронными дырками, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией. Спектр излучения определяется энергией фотонов, необходимой электронам для пересечения запрещенной зоны полупроводника. Путем выбора различных полупроводниковых материалов могут быть изготовлены светодиоды с требуемым спектром излучения, которые излучают свет в узкой полосе длин волн в диапазоне от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового. По мере того, как длины волн становятся короче, из-за большей ширины запрещенной зоны этих полупроводников рабочее напряжение светодиода увеличивается [15]. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с разрядными источниками УФ - излучения, включая более длительный срок службы, улучшенную физическую прочность, меньшие размеры и экологичность. 2.1 Принцип работы ультрафиолетовых светодиодов Принцип работы светодиодов основан на том, что при пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, электроны и дырки начинают рекомбинировать в области пространственного заряда с излучением фотонов (рисунок 2.1). При этом полупроводник n - типа обогащён отрицательными носителями заряда, а полупроводник p - типа положительными носителями заряда. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны (рисунок 2.2). БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 31

Рисунок 2.1 – Принцип работы светодиода Рисунок 2.2 – Излучение при рекомбинации При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны ΔW, т. е. по формуле Планка: ΔW = h*ν = h*с/λ, БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата (2.1) Лист 32

где h – постоянная планка, Дж * с; ν - частота излучения, Гц; λ - длина волны излучения; с - скорость света, м/c. Германий и кремний непригодны для светодиодов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала. Для ультрафиолетовых светодиодов применяются такие полупроводниковые материалы, как [22]: – нитрид бора (235 нм); – нитрид алюминия (215 нм); – нитрид алюминия – галлия (340 нм); – нитрид галлия (365 нм). К основным параметрам светодиодов относят [3]: – энергетический поток излучения, Вт; – прямое падение напряжения, В; – прямой ток, мА; – диапазон температур окружающей среды, град; – вольт - амперная характеристика; – спектр излучения; – диаграмма направленности излучения. 2.2 Устройство и конструкции светодиодов Основными конструктивными элементами светодиода являются (рисунок 2.3) [23]: – корпус; – анод; – катод; – линза; – чип или кристалл полупроводника; БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 33

– подложка. Рисунок 2.3 – Устройство светодиода Светодиодный кристалл крепится на основание, которое служит теплоотводом. Катод и анод являются электродами и служат для подведения электрического тока к полупроводниковому кристаллу. На катод подается отрицательное напряжение, на анод – положительное. Линза либо рассеиватель обеспечивают необходимую диаграмму направленности излучения светодиода. Все элементы конструкции располагаются в корпусе. Существует несколько типов светодиодов: – DIP - светодиоды (рисунок 2.4) (англ. Dual In-line Package), кристалл установлен в корпус с линзой, имеют два контакта; – SMD - светодиоды (рисунок 2.5) (англ. Surface Mounted Device) изготавливаются по технологии поверхностного монтажа. Чип монтируется на поверхность платы через керамическую подложку, что обеспечивает малые габариты и хороший теплоотвод. SMD – светодиоды являются самыми распространенными; БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 34

– COB - светодиоды (рисунок 2.6) (англ. Chip-On-Board) – чип кристалла или нескольких кристаллов монтируются на плату без керамической подложки. Рисунок 2.4 - DIP – светодиод Рисунок 2.5 - SMD – светодиод БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 35

Рисунок 2.6 - COB– светодиод 2.3 Светодиодные источники ультрафиолетового излучения Принцип действия УФ-светодиодов принципиально не отличается от обычных светоизлучающих светодиодов, однако для их создания используют определенные добавки, например, арсенид галлия, а также нитрид галлия, алюминия, индия [4]. При этом готовые светодиоды имеют спектр излучения от 100 до 400 нм (так называемая «ближняя область УФ-диапазона»), где длина волны зависит от материала полупроводника. УФ светодиодная лампа представлена на рисунке 2.6. В таблице 2.1 представлены параметры ультрафиолетовых светодиодов южнокорейской компании LG Innotek [9]. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 36

Рисунок 2.7 - Ультрафиолетовая светодиодная лампа Т а б л и ц а 2.1 – Параметры ультрафиолетовых светодиодов LG Innotek Пиковая Выходная длина волны оптическая излучения, мощность, нм мВт LEUVA66B00HF00 278 3 LEUVA66G00HF00 278 LEUVA66G00HV00 Угол Прямое Прямой напряжение, В ток, мА 126 6.5 20 10 126 7.0 100 278 30 120 8.0 350 LEUVA66H70HF00 278 70 120 8.5 350 LEUVA37B50HF00 278 2 120 7.5 20 LEUVK37B50HF00 278 2 125 7 25 Наименование Номенклатура ультрафиолетовых рассеяния, градусы ламп производства Spectroline (США) [11] представлены в таблице 2.2. В последнее время источники излучения и световые приборы на основе УФ светодиодов становятся все более востребованными, так как они более компактны, меньше потребляют энергии, экологичны [21]. Области, где используются ультрафиолетовые бактерицидные лампы разнообразны: сельское хозяйство, медицина, промышленность, криминалистика, оборуду- БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 37

вание, индустрия красоты. Т а б л и ц а 2.2 - Ультрафиолетовые лампы Spectroline Длина Модель волны, нм Комплектация Габариты, см/ вес, кг УФ- трубка Х-15А 365 Одна BLB трубка 15 Вт 11,4x47,6x8,9 / 2,0 BLE-1800B Х-30 365 Одна BLB трубка 30 Вт 15,2x91,4x10,2/ 4,3 BLE-5000B Х-40 365 Одна BLB трубка 40 Вт 15,2x121,9x10,2/5,4 BLE-7900B ХХ-15А 365 Две BLB трубки по 15 Вт 11,4x47,6x8,9/2,5 BLE-1800B ХХ-40 365 Две BLB трубки по 40 Вт 15.2x121.9x10.2/6.4 BLE-7900B Каждое направление использует только те лампы, которые подходят под их специфические цели. Медицина активно эксплуатирует способность ультрафиолета убивать микроорганизмы и бактерии. Кабинеты и палаты больниц подвергаются дезинфекции воздуха в помещении с помощью УФ излучения. Воздействие излучения УФ излучения на воду убивает болезнетворные вирусы и бактерии без изменения вкуса жидкости. Рабочий диапазон 250-280 нм обеспечивает стерилизацию воздуха и воды, разрушая ДНК опасных микроорганизмов. В полиграфии УФ-лампы применяются для быстрой сушки красок и лаков, для получения высококачественного глянца [24]. При обработке ультрафиолетом происходит полимеризация специальных красящих веществ, которые переходят в твердое состояние (рисунок 2.8). Это дает возможность получать изображения с отличными характеристиками четкости и яркости, с улучшенной цветовой гаммой, а полученные поверхности приобретают повышенную стойкость к появлению царапин и воздействию агрессивных веществ. Проверка денежных купюр, акцизных марок, ценных бумаг и другой защищенной продукции – это еще одна сфера применения ультрафиолета (рисунок 2.9). Ультрафиолетовые детекторы, часто используются в каждом БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 38

купюроприемнике в терминалах, банкоматах и торговых автоматах. Такие аппараты с помощью УФ-излучения могут в автоматическом режиме проверять валюту на наличие или отсутствие определенных элементов: люминесцирующего фона, защитных волокон, нитей, меток. Рисунок 2.8 – Применение светодиодных ультрафиолетовых излучателей в полиграфии В кассах магазинов, банках, обменных пунктах используются портативные ультрафиолетовые детекторы, предназначенные для визуальной проверки купюр. Также с помощью специализированного оборудования, оснащенного компактными, но мощными ультрафиолетовыми лампами, могут проверяться различные документы на защищенных бланках. Так что БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 39

для этих целей купить ультрафиолетовые лампы было бы просто необходимо. Рисунок 2.9 – Применение светодиодных ультрафиолетовых излучателей для проверки ценных бумаг С помощью ультрафиолетового излучения криминалисты могут обнаруживать следы различных веществ (крови, взрывчатки, отравляющих веществ и т.д.), невидимые в обычном свете, следы изменения в документах и многое другое (рисунок 2.10). Обычно эксперты для таких целей используются компактные ультрафиолетовые лампы, оснащенные специальными светофильтрами. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 40

Рисунок 2.10 – Применение светодиодных ультрафиолетовых излучателей в криминалистике Ультрафиолетовые лампы также могут применяться для облучения домашних питомцев из теплых стран, где солнце ярко светит круглый год. В условиях умеренного пояса у таких животных бывает стресс и провоцируется возникновение ряда заболеваний. Дополнительное искусственное УФизлучение полностью помогает решить такую проблему. Сегодня, например, популярны следующие виды данных приборов (рисунок 2.11): – ультрафиолетовая лампа для черепахи; – ультрафиолетовая лампа для рептилий; – ультрафиолетовая лампа для аквариума. Изм. Лист № докум. Подпись Дата S D F F F F F F F F БР-02069964-11.03.04-10-19 F F Лист 41

Рисунок 2.11 – Применение светодиодных ультрафиолетовых излучателей для облучения домашних питомцев БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 42

3 Создание макетного образца СД источника УФ излучения 3.1 Выбор компонентов для создания макетного образца светодиодного источника ультрафиолетового излучения Основными компонентами светодиодного источника ультрафиолетового излучения являются: – колба; – светодиодные чипы; – печатная плата; – радиатор; – драйвер; – цоколи. Колба лампы — это стеклянная емкость, в которой размещен источник света. Светодиодные чипы. Припаиваются на поверхность печатной платы, образуя светодиодный модуль. Число светодиодов зависит от конструктивных особенностей лампы, ее размеров, мощности и наличия радиаторов для отвода тепла. Качество чипов определяет все рабочие параметры источника света и продолжительность его эксплуатации. Печатная плата. Печатная плата соединяет все светодиоды между собой и с источником питания. При их изготовлении используются анодированные алюминиевые сплавы, способные эффективно отвести тепло на радиатор, что создаст оптимальную температуру для бесперебойной работы чипов. Радиатор. Радиатор позволяет отводить тепло от печатной платы с утопленными в ней светодиодами. Для отливки радиаторов тоже выбирается алюминий и его сплавы, а также специальные формы с большим количеством отдельных пластин, помогающих увеличить теплоотводящую площадь. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 43

Драйвер. Основной функцией драйвера для светодиодов является обеспечение стабилизированного тока, проходящего через светодиодную лампу. Значение тока, протекающего через кристалл полупроводника, должно соответствовать паспортным параметрам светодиода. Это обеспечит устойчивость свечения кристалла и поможет избежать его преждевременной деградации. Цоколь. Цоколь обеспечивает надежный контакт лампы с патроном и ее подключения с питающей сети. 3.1.1 Выбор колбы Спектральные характеристики электроламповых стёкол зависят от химической природы компонентов, входящих в их состав. Так, силикатные неокрашенные стёкла имеют высокое пропускание в видимой части спектра и широкие полосы фундаментального поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Кварцевое и фторберилатные стекла имеют высокое пропускание в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Халькогенидные стекла интенсивно поглощают ультрафиолетовое и видимое излучение и имеют высокий коэффициент пропускания в инфракрасной области. Развитие промышленной и препаративной фотохимии, применение УФ - радиации в быту, медицине, сельском хозяйстве потребовали создания большой гаммы источников УФ-излучения, обладающих избирательным действием в области УФ - диапазона (200 ÷ 400 нм). Эффективность действия УФ - источников на организм и вещество зависит в основном от величины УФ - пропускания стёкол, из которых он изготовлен. Наиболее высоким УФ пропусканием обладает прозрачное кварцевое стекло, применяемое для изготовления горелок ламп типа ДРЛ и МГЛ, оболочек ламп ДРШ; ДКсШ; ДРТ; ДРТИ. Полоса пропускания его начинается с длин волн 120 ÷180 нм (рисунок 3.1, кривые 5, 6). БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 44

Рисунок 3.1 – Спектры пропускания некоторых электроламповых стёкол в УФ-, видимой и ИК-диапазонах спектра (толщина образцов 1 мм) Обычные силикатные электроламповые стёкла по величине коэффициента пропускания в УФ-области не могут сравниться с кварцевым. Однако известны многие оксиды, с вводом которых в составы можно получить так называемые увиолевые стёкла, достаточно хорошо пропускающие УФ-излучение, применяемые при изготовлении оболочек как для бактерицидных и эритемных ламп, так и для ламп, используемых в интроскопии (рис 3.1 кривые 1, 2, 3, 4). К их числу относятся оксиды щелочных металлов Li2O; Na2O; K2O, щелочно-земельных металлов BaO; SrO; ZnO; SnO, а также B2O3; Al2O3; SiO2, мало влияющие на положение начала границы полосы пропускания в УФ-области спектра. Вводя в составы мягких и твёрдых стёкол оксиды кобольта и никеля, можно получить чёрные увиолевые стёкла, хорошо пропускающие УФ-лучи в области 300 ÷ 400 нм и поглощающие излучение в видимой части спектра (рисунок 3.1 кривая 4). Коэффициент пропускания бактерицидных стёкол на длине волны λ = 253,7 нм находится в пределах 70,0 ÷ 76,0 %, эритемных на длине волны λ = 296 нм достигает 80 ÷ 85 нм и чёрных увиолевых стёкол на длине волны λ = 365 нм доходит до 85,0 % при толщине образцов 1 мм. Увиолевые электроБР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 45

ламповые стёкла, как бесцветные, прозрачные для коротковолновых УФлучей, так и чёрные, можно получать классическими способами стекловарения, соблюдая при этом ряд требований. Бактерицидные стёкла, обладающие достаточно высокой УФ-прозрачностью (до 210 нм), не должны содержать щелочных оксидов более 17,0 масс. % и примесей оксидов тяжёлых металлов переменной валентности: Ti; V; Cr; Pb; Sb; Fe, а так же в значительных количествах галогены J′ и Cl′. Так, присутствие в стекле до 1,0 масс. % PbO вызывает смещение полосы пропускания с 210 до 260 нм при толщине образца 1 мм. Особенно сильно на начало полосы пропускания УФлучей влияет содержание в стёклах оксидов железа и титана. Уже присутствие 0,10 масс. % Fe2O3 смещает эту границу с 210 до 260 нм при толщине образца 0,65 мм, и до 300 нм при толщине 1 мм. Стекло для трубок бактерицидных ламп должно содержать не более 0,006 масс. % Fe2O3 и 0,003 масс. % TiO2, а для эритемных – соответственно 0,008 и 0,005 масс. % [18]. Из многокомпонентных стёкол наибольшим УФ-пропусканием в области 200 ÷ 260 нм обладают боросиликатные и особенно фосфатные стёкла. Однако они не нашли широкого применения: первые из-за технологических трудностей при варке и формовании, связанных с испарением B2O3 и метаборатов; вторые – из-за кристаллизации в процессе формования, в частности трубок, и малой химической устойчивости стекла в процессе эксплуатации источников света. Помимо примесей на величину УФ-пропускания увиолевых стёкол значительное влияние оказывает толщина стенки оболочки бактерицидных и эритемных ламп. Чем она меньше, тем выше УФ-пропускание стекла, а начало полосы сдвинуто в коротковолновую область спектра. Поэтому для производства бактерицидных и эритемных ламп используют мягкие стекла преимущественно натрий-магний-кальций-силикатных составов платинитовой группы, как наиболее технологичные при варке и формовании, а изделия, в частности трубки, изготавливают с толщиной стенки 0,5 ÷ 0,65 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 46

мм. Силикатное увиолевое бактерицидное стекло платинитовой группы (СЛ 97-2) используется для изготовления оболочек бактерицидных ламп, светофильтров и других электронно-оптических приборов, работающих в УФ области спектра. Варку стекла ведут в пламенной печи при окислительной атмосфере. Для ввода SiO2 в состав шихты применяют гранулированный жильный кварц, предварительно прошедший обогащение. Содержание примесей железа в обогащенном кварце составляет не более 0,0008 мас. % Fe2O3, примеси титана отсутствуют. Оксиды MgO, CaO, BaO, Na2O, K2O вводят через углекислые соли реактивной чистоты марок ХЧ и ЧДА, а оксид Fe2O3 - в виде окиси железа марки ХЧ. Обработка сырьевых материалов, хранение и загрузка шихты в печь осуществляются на оборудовании, исключающем попадание железа в стекломассу. Плавление шихты, осветление ведут при температуре расплава 1480+10оС. Формование из стекломассы труб для ламп осуществляется методом горизонтального вытягивания по способу Е. Даннера в интервале 920 – 1120 оС. Увиолевое бактерицидное стекло характеризуется достаточно высокими параметрами УФ-пропускания на волне 253,7 нм. Коэффициент пропускания стекла толщиной 1 мм при длине волны 253,7 нм составляет 6670 %. Силикатное увиолевое эритемное стекло платинитовой группы (СЛ 973) используется для изготовления оболочек эритемных ламп, светофильтров, пропускающих УФ лучи в средней коротковолновой области спектра. УФ пропускание у эритемных увиолевых стекол на длине волны 253,7 нм практически отсутствует, а на длине волны 296 нм составляет 80-86 %. Увиолевое эритемное стекло варят в пламенной печи при температуре 1450ºС. Для ввода SiO2 в состав шихты применяют гранулированный жильный кварц, предварительно прошедший специальную технологическую БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 47

подготовку. Для ввода MgO, CaO, BaO, Na2O, K2O применяют углекислые соли марки ХЧ, ЧДА и Ч. ZnO вводят через оксид цинка марки ЧДА и Ч, диоксид титана – через TiO2 марки ЧДА и Ч, PbO – через свинцовый сурик технический, ион фтора – через Na2SiF6 марки ХЧ. Обработку материалов, приготовление шихты и загрузку ее в печь осуществляют на оборудовании, исключающем попадание металлического железа в стекломассу. Формование из стекломассы труб осуществляют методом горизонтального вытягивания по способу Е. Даннера в интервале температур 940 -1 120оС. Химический состав увиолевого бактерицидного и эритемного стекла приведен в таблице 3.1. Т а б л и ц а 3.1 - Химический состав увиолевых стекол № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Химический состав стекла Диоксид кремния Оксид магния Оксид кальция Оксид бария Оксид натрия Оксид калия Оксид железа Алюминий Оксид свинца Оксид цинка Диоксид титана Фтор Исходя из Формула SiO2 MgO CaO BaO Na2O K2 O Fe2O3 Al PbO ZnO TiO2 F возможностей Количество, % СЛ97-2 СЛ97-3 69,6-71,0 65,5-70,0 2,196-2,695 1,0-3,5 3,56-3,75 5,0-6,0 6,4-8,1 5,0-7,0 12,8-13,0 10,0-14,0 3,3-3,5 3,0-6,0 0,004-0,005 0,04-0,05 0,5-1,0 0,3-1,2 0,1-0,3 0,2-0,4 производства было выбрано стекло, максимума интенсивности излучения светодиодов, приходящегося на 365 нм, было выбрано стекло СЛ40-1. Изготовлена трубка диаметром 27 мм, длиной 210 мм, толщиной стенки 1 мм. Коэффициент пропускания излучения стекла СЛ 40-1 при толщине стенки 1 мм на длине волны 365 нм – 0,9 [18]. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 48

3.1.2 Подбор светодиодов Для ультрафиолетовой лампы были выбраны светодиоды SMD UV 2835 тайваньской компании Epistar TW [20]. Характеристики данных светодиодов представлены в таблице 3.2. Т а б л и ц а 3.2 – Характеристики светодиодов SMD UV 2835 Параметр Напряжение, В Прямой ток, мА Угол рассеивания, град Энергетический поток, мВт Длинна волны излучения, нм Диапазон рабочих температур, град Геометрические размеры (Д х Ш х В), мм Значение 3,0 – 3,4 55 125 47 365 - 10 ~ +60 3,5 х 2,8 х 0,8 Геометрические размеры светодиода представлены на рисунке 3.2. Рисунок 3.2 – Геометрические размеры светодиода SMD UV 2835 Вольт - амперная характеристика (ВАХ) светодиода представлена на рисунке 3.3. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 49

Рисунок 3.3 - Вольт – амперная характеристика светодиода SMD UV 2835 Зависимость энергетического потока от прямого тока светодиода представлена на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 - Зависимость энергетического потока от прямого тока светодиода SMD UV 2835 Спектр излучения светодиода представлен на рисунке 3.5 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 50

Рисунок 3.5 - Спектр излучения светодиода SMD UV 2835 Светораспределение светодиода представлена на рисунке 3.6. Рисунок 3.6 - Светораспределение светодиода SMD UV 2835 3.1.3 Выбор источника питания Светодиод – это полупроводниковый элемент, имеющий нелинейную ВАХ (рисунок 3.3). Из-за существенной нелинейности ВАХ, нельзя применять обыкновенные стабилизаторы напряжения, которые не способны БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 51

задавать постоянный ток через нагрузку. Для таких целей необходимо использовать специализированный драйвер – устройство, стабилизирующее ток, протекающий через цепь светодиодов [17]. Драйвер, построенный на основе микросхемы HV9910 (рисунок 3.7) американской компании Supertex inc., является эффективным по стоимости вариантом источником тока для светодиодов с током потребления от 1 мА до 1 А. Конструктивный вид данной микросхемы представлен на рисунке 3.6 [6]. На рисунке 3.8 приведена типовая схема применения микросхемы HV9910. Рисунок 3.7 – Внешний вид микросхемы HV9910 Параметры для расчета светодиодного драйвера: – минимальное входное напряжение UMIN,AC = 205 В; – номинальное входное напряжение UNOM,AC = 230 В; – номинальное входное напряжение UNOM,AC = 230 В; – максимальное входное напряжение UMAX,AC = 255 В; – частота питающей сети freq = 50 Гц; – минимальное напряжение на светодиодах UО,MIN = 11,4 В; – максимально напряжение на светодиодах UО,MAX = 12 В; – ток, потребляемый светодиодами IО,MAX = 720 мА; – амплитуда пульсаций тока RIPI = 15 %; БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 52

– рабочая частота микросхемы fs = 71 кГц; – КПД драйвера η = 90%. Рисунок 3.8 – Типовая схема включения микросхемы HV9910 Рабочая частота микросхемы определяет габариты драйвера. Однако, слишком большое значение частоты приведет к росту потерь при коммутации цепи. В нашем случае выберем частоту fS = 71 кГц и рассчитаем сопротивление частотозадающего резистора R1. 𝑅1 = 𝑅1 = 2500 𝑓𝑠 (3.1) 2500 = 35 кОм 71 Величина рабочего напряжения диодного моста будет определяться формулой 2, а ток, проходящий через выпрямительные диоды – формулой 3. 𝑈𝐵𝑅𝐼𝐺𝐸 = √2 ∗ 𝑈𝑀𝐴𝑋,𝐴𝐶 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата (3.2) Лист 53

𝑈𝐵𝑅𝐼𝐺𝐸 = √2 ∗ 255 = 361 𝐼𝐵𝑅𝐼𝐺𝐸 = 𝑈𝑂.𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 𝑈𝑀𝐼𝑁.𝐷𝐶 ∗ 𝜂 (3.3) 12 ∗ 720 = 842 мА 11,4 ∗ 0,9 𝐼𝐵𝑅𝐼𝐺𝐸 = Для рассматриваемой схемы возьмем диодный мост с обратным напряжением 400 В и допустимым током в 1 А. Сопротивление токоограничительного термистора NTC1 при температуре окружающей среды 25 оС будет равно 𝑅𝐶𝑂𝐿𝐷 = 𝑅𝐶𝑂𝐿𝐷 = 𝑈𝐵𝑅𝐼𝐺𝐸 5 ∗ 𝐼𝐵𝑅𝐼𝐺𝐸 (3.4) 361 = 86 Ом. 5 ∗ 0,842 Важным критерием для выбора конденсатора является то, что максимальное напряжение на всей группе светодиодов должно быть меньше половины минимального входного напряжения. Исходя из этого минимальное выпрямленное напряжение должно составлять не менее 𝑈𝑀𝐼𝑁.𝐷𝐶 = 2 ∗ 𝑈𝑂.𝑀𝐴𝑋 (3.5) 𝑈𝑀𝐼𝑁.𝐷𝐶 = 2 ∗ 12 = 24 В Тогда минимальная емкость входного электролитического конденсатора С1 составит БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 54

С1 ≥ С1 ≥ 𝑈𝑂.𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 2 2 (2 ∗ 𝑈𝑀𝐼𝑁.𝐴𝐶 − 𝑈𝑀𝐼𝑁.𝐷𝐶 ) ∗ 𝜂 ∗ 𝑓𝑟𝑒𝑞 (3.6) 12 ∗ 0,72 ≥ 1 мкФ (2 ∗ 42025 − 576) ∗ 0,9 ∗ 71 Рабочее напряжение рассчитанного конденсатора определяется как 𝑈𝑀𝐴𝑋.𝐶𝐴𝑃 = √2 ∗ 𝑉𝑀𝐴𝑋,𝐴𝐶 (3.7) 𝑈𝑀𝐴𝑋.𝐶𝐴𝑃 = √2 ∗ 255 = 361 Для повышения эквивалентного сопротивления конденсатора С1, параллельно устанавливается фильтрующая емкость С2 С2 ≥ С2 ≥ 25 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 (𝑓𝑠 ∗ 0,05 𝑈𝑀𝐼𝑁.𝐷𝐶 ) (3.8) 25 ∗ 0,72 ≥ 220 мкФ (71000 ∗ 0,05 ∗ 11,4) В рассматриваемой схеме конденсаторы С1 и С2 выберем с рабочим напряжением 400 В. Значение индуктивности дросселя L1 зависит от уровня пульсаций тока, потребляемого светодиодами. Тогда значение индуктивности можно вычислить по формуле 9. 𝐿1 = 𝑈𝑂.𝑀𝐴𝑋 ∗(1− 𝑈𝑂.𝑀𝐴𝑋 ) √2∗𝑈𝐴𝐶.𝑁𝑂𝑀 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата (3.9) 𝑅𝐼𝑃1 ∗𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 ∗𝑓𝑠 Лист 55

𝐿1 = 12∗(1− 12 ) √2∗230 0,15∗0,72∗71000 = 6,3 мГ Максимальный ток через дроссель будет составлять 𝐼𝑝 = 1,15 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 (3.10) 𝐼𝑝 = 1,15 ∗ 720 = 828мА Далее рассчитаем параметры полевого транзистора Q1 и диода D2. Напряжение сток-исток полевого транзистора определим по формуле 11. 𝑈𝐹𝐸𝑇 = 1,5 ∗ (√2 ∗ 𝑈𝑀𝐴𝑋.𝐴𝐶 ) (3.11) 𝑈𝐹𝐸𝑇 = 1,5 ∗ (√2 ∗ 255) = 541 В Ток стока транзистора определим по формуле 12. 𝐼𝐹𝐸𝑇 = √0.5 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 (3.12) 𝐼𝐹𝐸𝑇 = √0.5 ∗ 720 = 509 мА Исходя из того, что напряжение на диоде равно напряжению на транзисторе, 𝑈𝐷𝐼𝑂𝐷𝐸 = 𝑈𝐹𝐸𝑇 = 541 В Средний ток диода определяется по формуле 13. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 56

𝐼𝐷𝐼𝑂𝐷𝐸 = 0,5 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 (3.13) 𝐼𝐷𝐼𝑂𝐷𝐸 = 0,5 ∗ 720 = 360 мА Для ограничения тока, потребляемого светодиодами необходимо использовать истоковый токоизмерительный резистор R2. Его значение определяется формулой 14. 𝑅2 = 𝑅2 = 0,25 1,15 ∗ 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 (3.14) 0,25 = 300 мОм 1,15 ∗ 0,720 Мощность, рассеиваемая истоковым токоизмерительным резистором R2 определяется по формуле 15. 2 𝑃𝑅2 = 𝐼𝑂.𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝑅2 (3.15) 𝑃𝑅2 = 0,518 ∗ 0,3 = 155 мВт В рассматриваемой схеме конденсатор С3 является блокировочным и величину его емкости стоит выбирать от 1,0 до 2,2 мкФ с рабочим напряжением 100 В. 3.1.4 Подбор цоколей Цоколь служит для подведения электрического питания к лампе от внешнего источника, установки лампы в специальные держатели по месту БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 57

эксплуатации и дополнительно обеспечивает точную ориентацию лампы относительно арматуры осветительного прибора в целом. Существуют следующие типы цоколей [1]: а) первая буква указывает на тип цоколя: 1) E – резьбовой цоколь (Эдисона); 2) G – штырьковый цоколь; 3) R – цоколь с утопленным контактом; 4) B – штифтовой цоколь (байонет); 5) F– цоколь с одним штырьком; 6) S – софитный цоколь; 7) K – цоколь с кабельными соединениями; 8) H – цоколь для ксеноновых ламп; 9) P – фокусирующий цоколь; 10) T – телефонный цоколь; 11) W – основание, в котором электрический контакт с патроном осуществляется непосредственно через токовые вводы, расположенные на стеклянном основании лампы. б) число в обозначении цоколя указывает диаметр соединительной части или расстояние между штырьками; в) строчные буквы на конце показывают количество контактных пластин, штырьков или гибких соединений (только для некоторых типов): 1) s – один контакт; 2) d – два контакта; 3) t – три контакта; 4) q – четыре контакта; 5) p – пять контактов. г) иногда к первой букве добавляется еще одна буква, уточняющая (для некоторых типов): 1) U – энергосберегающая лампочка; БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 58

2) V – цоколь с коническим концом; 3) A – автомобильная лампа. Для конструируемой лампы были использованы два штырьковых цоколя G13 с расстоянием между штырьками 13 мм. Материал цоколя – пластик. Цоколь G13 представлен на рисунке 3.9. Рисунок 3.9 - Цоколь G13 3.2 Сборка макетного образца Крепление светодиодной ленты к поверхности колбы было осуществлено с помощью клея марки «Glue HMG-628H». На рисунках 3.10, 3.11 представлены ультрафиолетовая светодиодная лента и колба, выполненная из стекла СЛ 40 – 1 с толщиной стенки 1 мм, коэффициент пропускания излучения на длине волны 365 нм – 0,9 [18]. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 59

Рисунок 3.10 - Ультрафиолетовая светодиодная лента Рисунок 3.11 - Колба Сконструированный драйвер представлен на рисунке 3.12. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 60

Рисунок 3.12 - Светодиодный драйвер Припайка драйвера к светодиодной ленте показана на рисунке 3.13. Рисунок 3.13 - Припайка токовых выводов к контактам светодиодной ленты Для дополнительной изоляции драйвер лампы помещается в термоуса- БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 61

дочную трубку (рисунок 3.14). Рисунок 3.14 – Расположение драйвера в термоусадочной трубке Намазанный клеем цоколь надевается на драйвер и колбу так, чтобы насечка на цоколе совпадала с осью светодиодной ленты (рисунок 3.15). Рисунок 3.15 – Нанесение клея на цоколь БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 62

Второй цоколь надевается на колбу при совмещении насечки на цоколе с осью светодиодной ленты в колбе. Макет лампы представлен на рисунке 3.16. Рисунок 3.16 – Макетный образец ультрафиолетовой лампы БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 63

4 Проведение экспериментальных исследований макетного образца светодиодного источника ультрафиолетового излучения 4.1 Описание метрологического комплекса Исследование проводилось с использованием метрологического комплекса фирмы Gooch&Housego в составе [14]: – светомерного шара OL IS 670 LED; – спектрорадиометра OL 770 VIS/NIR; – прецизионного источника постоянного тока OL410 - 200 PRESISION LAMP SOURCE; – вспомогательной лампы для учёта влияния неактивных элементов; – эталонной лампы. Измерения проводят при следующих условиях, если иное не установлено в стандартах и технических условиях на ИС конкретных типов: – температура окружающей среды: (25 ± 10) ºC; – относительная влажность: (65 ± 20) %; – атмосферное давление: (101 ± 4) кПа; – напряжение питающей сети: (220 ± 22) В, частота тока 50 Гц. Измерения параметров СД, светодиодных ламп и светодиодных модулей проводят при температуре окружающей среды (25 ± 2) ºС [5]. Комплектность измерительной установки приведена в таблице 4.1. Т а б л и ц а 4.1– Комплект измерительной установки Наименование Количество, шт 1 2 Фотоколориметрическая установка, 1 в том числе: – фотометрический шар OL IS 670 LED 1 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 64

Окончание таблицы 4.1 1 2 – многоканальный спектрорадиометр OL 770 UV/VIS 1 – источник питания вспомогательной лампы OL410-200 1 – вспомогательная лампа AUX LAMP A180 1 – оптоволоконный кабель 770-7G-3.0 1 – арматура для крепления ламп 3 – диафрагмы 3 – компьютер 1 Многоканальный спектрограф, спектрорадиометр термоэлектрически OL охлаждаемый 770 включает сенсор ПЗС в себя матрицы (стандартная конфигурация), внутреннюю лампу, источник питания и электронные схемы управления в удобном, портативном корпусе. Спектрограф ориентирован на заводское использование для оптимального спектрального функционирования и откалиброван для длины волн, общего спектрального потока и средней спектральной интенсивности. Внутренняя эталонная лампа позволяет проводить регулярную калибровку и создавать новые файлы калибровки для каждого корпуса СИД (светоизлучающие диоды) и держателя, используемого с интегрирующей сферой. Свет от различного оптического вспомогательного оборудования (интегрирующей сферы, рецептора силы света или гониометра) поступает в прибор OL 770 через волоконный световод (оптоволоконный кабель) и вход во внутренний спектрограф. Стандартный световод OL 770UV/VIS - это волоконно-оптический зонд длиной 1 м и диаметром З мм. На передней панели OL 770UV/VIS находится переключатель мощности, индикатор состояния СИД и соединения с вольфрамовым ламповым источником. Порт оптического входа имеет съемное хомутообразное крепление для 1 м волоконно-оптического зонда и БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 65

заменяемый вход. Сменная диафрагма находится между соединительной муфтой и входом во внутренний спектрограф. Многоканальный спектрорадиометр OL 770UV/VIS работает на 190 нм – 800 нм, оптимизированной f/2 вогнутой дифракционной решетке с дисперсией 24 нм/мм. Дифракционные компоненты второго порядка извлекаются с помощью линейного переменного пасс фильтра. На рисунке 4.1 представлен спектрорадиометр OL 770UV/VIS. В таблице 4.2 представлены характеристики спектрорадиометра OL 770UV/VIS. Рисунок 4.1 - Спектрорадиометр OL 770UV/VIS БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 66

Т а б л и ц а 4.2 – Основные технические характеристики спектрорадиометра OL 770UV/VIS Наименование характеристики Спектральный диапазон, нм Шаг сканирования по длинам волн, нм Оптическая полоса пропускной способности (с минимальным отверстием 100 мкм), мм Спектральное разрешение, мм Диафрагма, мкм Оптическое фокусное расстояние, мм Оптическая диафрагма Электропитание осуществляется от: Номинальное напряжение электропитания, В Номинальная частота сети питания, Гц Потребляемый ток, А, не более Условия эксплуатации: - температура окружающего воздуха, ºС - атмосферное давление, кПа - относительная влажность воздуха, % Габаритные размеры, м, не более: - спектрорадиометра - источник питания OL-410-200 - оптоволоконный кабель 770-7G-3.0 Ø3 мм -диафрагма 3 шт ( Ø 0,5 мм; Ø 1,5 мм Ø 3 мм) Значение характеристики 200 ÷ 780 0,75 3,5 0,6 50 и 200 140 f/2 220±10 50 16 25±2 От 45 до 80 От 84 до 107 2×2,16×2,34 0,184×0,336×0,33 0,238×0,137×0,356 длина 3 м 0,028×0,081 Масса, кг, не более: - спектрорадиометра - источник питания OL-410-200 10,2 9,8 Конфигурация спектрорадиометра OL 770UV/VIS и интегрирующей сферы OL IS 670 LED для измерения общего спектрального потока излучения показана на рисунке 4.2. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 67

Рисунок 4.2 - Конфигурация для измерения общего спектрального потока излучения Интегрирующая сфера OL IS 670 LED показана на рисунке 4.3. Рисунок 4.3 - Интегрирующая сфера OL IS 670 LED БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 68

4.2 Определение времени стабилизации характеристик макетного образца Вначале было определено время стабилизации характеристик УФ лампы. В таблице 4.3 представлены результаты измерений в течение времени стабилизации основных параметров макетного образца УФ СД лампы. Т а б л и ц а 4.3 – Время стабилизации основных параметров макетного образца Энергетический поток, t, с мВт 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 660 656 650 643 635 628 622 618 615 613 611 610 610 610 Мощность, Вт 9,10 9,15 9,00 8,90 8,95 9,05 9,10 9,07 9,03 8,96 8,99 9,00 9,00 9,00 По полученным данным измерений представлены графики зависимости изменения энергетического потока и мощности макетного образца в течение времени стабилизации (рисунки 4.4 - 4.5). БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 69

Q, мВт 670 660 650 640 630 620 610 600 0 50 100 150 200 250 t, с Рисунок 4.4 – Время стабилизации энергетического потока P, Вт 9,20 9,15 9,10 9,05 9,00 8,95 8,90 8,85 0 50 100 150 200 250 t, с Рисунок 4.5 – Время стабилизации потребляемой мощности лампой Время стабилизации энергетического потока и мощности макетного образца составило 3 минуты 25 секунд. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 70

4.3 Измерение энергетического потока и мощности 4.3.1 Методы измерений энергетического потока излучения Требования к оборудованию при измерении энергетического потока излучения следующие: – размер фотометрического шара выбирают с учетом размеров, мощности и энергетического потока измеряемых ИС. Диаметр фотометрического шара должен составлять не менее шестикратного значения длины источника излучения (без цоколя), но не менее 1 м для разрядных ламп высокого давления мощностью до 400 Вт и не менее 1,5 м для разрядных ламп мощностью свыше 400 Вт. Для трубчатых ламп накаливания и люминесцентных - не менее 1, 2 - кратного значения общей длины лампы. Диаметр измерительного отверстия не должен превышать 1/10 диаметра фотометрического шара. – светорассеивающее стекло устанавливают в измерительном отверстии перпендикулярно к радиусу фотометрического шара. Поверхность светорассеивающего фотометрического стекла, шара, обращенная должна быть к внутренней матовой. стороне Пропускание светорассеивающих стекол должно быть неселективным в видимой области спектра. Распределение пропущенного света светорассеивающим стеклом должно быть рассеянным. Стекло не должно флуоресцировать. – экран фотометрического шара по своим размерам и местоположению по отношению к измерительному отверстию должен обеспечивать защиту измерительного отверстия от прямого излучения источника излучения. Размеры экрана подбирают так, чтобы обеспечить наименьшее затенение поверхности фотометрического шара. Диаметр тени не должен превышать двойного диаметра измерительного отверстия. Экран должен быть расположен от источника излучения на 1/2 - 2/3 расстояния между источника БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 71

излучения и измерительным отверстием перпендикулярно к оси, проходящей через центр измерительного отверстия и световой центр источника излучения. Размеры и форма экрана должны соответствовать типу измеряемых источника излучения – Для учета влияния на результат измерения приспособлений (неактивных элементов), находящихся в фотометрическом шаре, внутри шара устанавливают вспомогательный источника излучения, расположенный на противоположной стороне от измерительного отверстия. Допускается другое расположение вспомогательного источника излучения на стенке шара. Перед вспомогательным источника излучения устанавливают непрозрачный экран, препятствующий попаданию его излучения на измеряемый источника излучения, контрольную или светоизмерительную лампы и измерительное отверстие. Вспомогательный источника излучения должен обладать стабильными электрическими и световыми параметрами. – внутренняя поверхность шара и приспособления для установки и включения ламп должны быть окрашены матовой (неселективной) краской белого цвета. Коэффициент отражения внутренней поверхности должен быть не менее 0,8. Разница между коэффициентами отражения в разных частях шара в процессе измерения должна быть не более 3%. Требования к проведению измерения энергетического потока: – источника излучения располагают в рабочем положении, если иное не оговорено в стандартах или технических условиях на источника излучения конкретных типов: – одноцокольные в вертикальном положении, цоколем вверх; – двухцокольные в горизонтальном положении, в плоскости, параллельной плоскости измерительного отверстия фотометрического шара; – источники излучения, контрольные или светоизмерительные лампы устанавливают так, чтобы их световые центры располагались в центре шара. При установленном экране ни один элемент источника излучения, БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 72

контрольной или светоизмерительной ламп (кроме цоколя) не должен просматриваться из измерительного отверстия фотометрического шара; – источника излучения с направленным излучением устанавливают так, чтобы ось светового пучка была направлена перпендикулярно линии, соединяющей центр фотометрического шара с центром измерительного отверстия. 4.3.2 Методы измерений электрических параметров Электроизмерительные приборы должны соответствовать требованиям ГОСТ 22261. При питании переменным током класс точности электроизмерительных приборов должен быть не ниже 0,5, при питании постоянным током - не ниже 0,2. При использовании аналоговых электроизмерительных приборов значения измеряемых величин должны находиться во второй половине шкалы. Для измерений применяют стабилизированные источники питания, обеспечивающие требуемую точность измерений контролируемых параметров. Для питания разрядных и светодиодных ламп и светодиодных модулей применяют источники переменного тока (рисунок 4.6). Система питания переменным током должна состоять из источника стабилизированного синусоидального напряжения и регулирующих устройств, позволяющих трансформировать напряжение. Систему питания с добавочным трансформатором (рисунок 4.6 б) применяют при необходимости точной регулировки питающего напряжения в широких пределах. Схема измерений электрических параметров светодиодных ламп приведена на рисунке 4.7 БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 73

1, 2- выводы для подключения источника переменного тока; 3, 4 - выводы для подключения системы измерения; 5 - стабилизатор напряжения; Т1, Т2 - регулировочные автотрансформаторы; TV - добавочный трансформатор напряжения Рисунок 4.6 – Схемы систем питания переменным током 5, 6 - выводы для подключения системы питания (рисунок 3.1); РV - вольтметр для измерения напряжения питания; РА - амперметр для измерения тока; VD измеряемая светодиодная лампа Рисунок 4.7 – Схема измерения электрических параметров светодиодных ламп Измерения электрических параметров светодиодных ламп проводят при установившемся электрическом режиме, но не менее чем через 15 мин их непрерывного горения. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 74

Электрические параметры источника излучения измеряют при номинальном (расчетном или испытательном) напряжении, или токе, или номинальной мощности. 4.3.3 Измерение начальных параметров макетного образца Были проведены измерения начальных параметров макетного образца светодиодной ультрафиолетовой лампы. Результаты исследований представлены в таблице 4.4 Т а б л и ц а 4.4 - Начальные параметры макетного образца светодиодной ультрафиолетовой лампы 𝑈𝑐 , В I, мA P, Вт Фе, мВт 230 40 9 610 Исходя из полученных результатов, можно сделать следующие выводы: – макетный образец светодиодной ультрафиолетовой лампы обладает мощностью 9 Вт; – энергетический поток макетного образца составил 610 мВт. 4.4 Исследования спектральных характеристик На рисунке 4.8 представлен спектр излучения макетного образца светодиодной УФ - лампы. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 75

W/λ, Вт/нм 3,50E-03 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E+00 350 400 450 500 550 λ, нм Рисунок 4.8 – Спектр излучения макетного образца Анализ полученного спектра позволяет сделать следующие выводы: – доминирующая длина волны излучения макетного образца составляет 365 нм; – максимальное спектральное излучение равно 2,88 * 10-3 Вт/нм; – энергетический поток макетного образца равен 610 мВт. Разработанная ультрафиолетовая светодиодная лампа является аналогом лампы ЛУФТ 10 П. В таблице 4.5 представлены характеристики разработанного макетного образца УФ лампы и лампы ЛУФТ 10 П. Т а б л и ц а 4.5 – Характеристики разработанного макетного образца УФ лампы и лампы ЛУФТ 10 П Тип лампы Макетный образец ЛУФТ 10 П Мощность, Вт Напряжение, В Сила тока, А Продолжительность горения, ч Поток излучения (λ = 370 нм), Вт сети на лампе 9 220 12 0,040 10000* 0,61 10 220 45 0,230 2000 0,60 * Прогнозируемое значение. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 76

Мощность и энергетический поток разработанной УФ лампы и лампы ЛУФТ 10 П практически одинаковы, но учитывая то, что срок службы разработанной лампы ожидается не менее 10000 ч, можно предположить, что она более энергоэффективная, чем лампа ЛУФТ 10 П. Разработанную ультрафиолетовую лампу можно применять: – в установках, использующих фотохимическое и биологическое действие УФ –излучения; – для отверждения пластмасс; – в полиграфии; – в ловушках для ловли насекомых. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 77

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения бакалаврской работы было выполнено следующее:  проведен анализ научно-технической информации отечественного и зарубежного опыта по источникам ультрафиолетового излучения;  изучен принцип действия УФ светодиодов;  проанализированы светодиодные источники УФ излучения; – проведен расчет светодиодного драйвера напряжением 12 В и током 720 мА; – выбран сорт стекла СЛ40 - 1 для ультрафиолетовой светодиодной лампы; – подобраны ультрафиолетовые светодиоды с максимумом интенсивности излучения, приходящимся на длину волны 365 нм. С использованием выбранных компонентов был собран макетный образец СД ультрафиолетовой лампы. Мощность макетного образца составила 9 Вт. Время стабилизации электрических и энергетических параметров составило 3 минуты 25 секунд. Экспериментальные исследования с использованием метрологического комплекса фирмы Gooch&Housego показали, что: – доминирующая длина волны излучения макетного образца составляет 365 нм; – максимальное спектральное излучение равно 2,88 * 10-3 Вт/нм; – энергетический поток макетного образца равен 610 мВт. Исследования показали, что разработанный макетный образец является аналогом люминесцентной ультрафиолетовой лампы ЛУФТ 10 П с энергетическим потоком 0,6 Вт. Таким образом, задачи, поставленные в бакалаврской работе, выполнены полностью. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 78

По результатам проведенных исследований был сделан доклад на XXIII научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва 24.05.2019 г и подготовлена статья для публикации «Обзор источников излучения бактерицидного действия». Результаты выполненной работы могут быть использованы в учебном процессе, а также на основе созданного макетного образца возможна разработка светодиодной ультрафиолетовой лампы. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 79

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Виды и типы цоколей ламп [Электронный ресурс]. – Режим 1 доступа: https://www.gorodsveta.su/stati/tipy-tsokoley-lamp/. Галанин Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение. Л.: 2 Медицина, 1969. ГОСТ 3 Р 54814-2011/IEC/TS 62504:2011. Светодиоды и светодиодные модули для общего освещения. Термины и определения. Введ. 2012-07-01. – М. : Стандинформ, 2012. – 16 с. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200095084. ГОСТ Р 54815-2011/IEC/PAS 62612:2009 Лампы светодиодные 4 со встроенным устройством управления для общего освещения на напряжения свыше 50 В. Эксплуатационные требования. Введ. 2012-07-01. – М. : Стандинформ, 2012. – 11 с. ГОСТ Р 55702 – 2013. Источники света электрические. Методы 5 измерения электрических и световых параметров. – Введ. 2014–07–01. – М. : Стандинформ, 2014. – 43 с. Драйвер для светодиодов HV9910 [Электронный ресурс]. – 6 Режим доступа: http://soundbarrel.ru/pitanie/drv_led.html. Излучение ультрафиолетовое. Величины и единицы. Термины и 7 определения. Руководящий технический материал РТМ 3-381-73, 1974. Каталог продукции ООО «НИИИС имени А.Н. Лодыгина» 8 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vniiis.su/produktsiya/istochniki-sveta-svetovye-pribory-i-ikhkomponenty/lampy-ultrafioletovye. Каталог продукции LG Innotek [Электронный ресурс]. – Режим 9 доступа: https://www.lasercomponents.com/de-en/product/uva-leds-365-415-nm/ 10 Каталог продукции Philips [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lighting.philips.ru/prof/lamps/special-lamps/medical-lamps . БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 80

11 Каталог продукции Spectroline [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://spectroline.com/uv-lamps-lab/. 12 Комарова А. А. Лечебное н профилактическое применение ультрафиолетовых лучей. Л.: Медгиз, 1958. 13 Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение. М.: Изд-во иностр. лит., 1952. 14 Микаева С. А. Комплекс современного исследовательского оборудования для световых измерений / С. А. Микаева, О. Е. Железникова, Л. В. Синицына // Автоматизация и современные технологии. – 2012. – № 12. – С. 33 – 36. 15 Мощные ультрафиолетовые светодиоды honglitronic-bytech [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://onelec.ru/news/100. 16 Научно исследовательский институт источников света им. А.Н. Лодыгина [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://vniiis.su/. 17 Светодиодный драйвер на HV9910 от 220В [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.rlocman.ru/forum/showthread.php?t=7609. 18 Сивко А. П. Технология электролампового стекла : учебное пособие / А. П. Сивко. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2015. - 623 с. 19 Справочная книга по светотехнике / Московский дом света; под ред. Ю. Е. Айзенберга. – 3-е изд., перераб. н доп. - М.: Знак, 2006. – 972 с. 20 Ультрафиолетовые светодиодные ленты [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://gslight.ru/products/category/143734/. 21 Ультрафиолетовые светодиоды [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://lifeandlight.ru/istochniki-veta/svetodiody/ultrafioletovye- svetodiody.html. 22 Ультрафиолетовые светодиоды [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.diodgid.ru/led/ultrafioletovye-svetodiody/. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 81

23 Чуркина Н. И., Литюшкин В. В., Сивко А. П. Основы технологии электрических источников света. – Саранск.: Морд. кн. изд-во, 2003. – 344с. 24 Энергосберегающие технологии в промышленности: Учебное пособие / А. М. Афонин, Ю. Н. Царегородцев и др. – 2 изд. – М.: Форум: НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 272 с. Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php? book=492544. БР-02069964-11.03.04-10-19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 82

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв