UV-LED照明一体化灯具的研究与设计

胡才双

(广东隆源光电有限公司，广东 中山 528415)

引言

《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》中明确提出，新型冠状病毒(COVID-19)对紫外线和热敏感。紫外线能通过破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构，使之失去复制功能，从而达到杀菌效果[1]。国际照明委员会(CIE)把紫外光分为三个区域:UVA(400～315 nm)、UVB(315～280 nm)、UVC(280～100 nm)。实验表明：波长小于320 nm 的紫外辐射对微生物有杀伤作用, 且灭菌效应在260 nm处最大[2]。目前来看，紫外杀菌技术有两大技术产品，可分为：低气压紫外杀菌汞灯产品和深紫外LED产品。

1)紫外杀菌技术的分类。低气压紫外杀菌汞灯即传统UV汞灯，其主波长是杀菌效率高的253.7 nm，辐射效率以18 W汞灯功率计算在23%以上[3]，其产品寿命约5 000 h，紫外线辐射强度会随着灯具开启次数和点亮时间的增加而降低[4]。虽然，现阶段以UV汞灯为代表的第一代紫外光源已经广泛地应用在诸多领域，但是其存在诸多缺点，如体积大、功耗高、寿命短、含有汞等，UV汞灯的光谱分布宽，而紫外光谱段只占其中一部分，因此效率较低[5]。

深紫外LED产品即UVC-LED，其应用于杀菌消毒的主波长是275～280 nm，使用寿命通常能超过20 000 h，是传统UV汞灯的5倍以上，且体积小，启动速率快，无需预热，光线能量集中，便于智能控制，能够配合不同需求设计，适用于广泛的应用场景，相较于UV汞灯具有更高的应用弹性[4]。

目前UV-LED与传统UV汞灯最大的差距仍在于光功率，若要提升光功率则必须增加LED数量，成本也会因此提高。当然，需要看到的是，这种差距正在一步步缩小。近年来，LED的功率大幅度提高，成本显著降低，散热问题日益改善，正逐渐取代传统UV汞灯。更重要的是，UV-LED不含汞，更具有环保、高效、节能、寿命长、热损失较少等优点，随着UV-LED的技术进步与功率提升，其发展与取代势头不可阻挡[6]。

2)UV-LED的应用前景。2016年4月中国宣布加入世界环境《水俣公约》，按照公约要求，近140个缔约国被要求自2020年开始禁止生产及进出口含汞产品，此公约也促使各家厂商加速推进UV-LED的研发与生产。因此，研发新型技术产品全面取代传统UV汞灯，是势在必行的事情。长期来看，UV-LED作为紫外线光源将成为未来的市场主流。有关数据显示，2018—2023年全球UV-LED市场的复合增长率达到27%，预计未来五年国内UVC-LED杀菌消毒应用市场规模将达千亿级[7]。

1 UV-LED灯具应用中存在的问题研究

UV-LED存在着与普通LED不一样的用途和应用要求，所以UV-LED灯具的应用如材料、结构和电路设计等也存在不同的考量和设计方案，UV-LED灯具应用面临的主要问题和对策方案如下：

1.1 UV-LED的排列方式

对于UV-LED的排列方式的选择和设计应基于以下两个方面的考量：

1)UVC-LED能发挥紫外线的杀菌作用，但它属于不可见光，肉眼看不见或呈现很微弱的光，用户体验感不强；

2)研究人员在利用UVC：272 nm 和UVA：365 nm分别对白念珠菌和大肠杆菌进行杀灭实验时发现，UV-LED的脉冲辐照对细菌的杀灭能力明显高于传统UV汞灯的连续辐照，这主要得益于高强度脉冲辐照可以更有效破坏微生物 DNA 结构并阻止其修复[8]，这提示UVA+UVC LED杀菌效果优于传统UV汞灯。

对策方案：采用UVC+UVA双芯片设计方案，如图1所示，单颗器件内含三个不同类型的芯片，分别为UVA-LED/UVC-LED/齐纳管，其中齐纳管用于为UVC-LED提供ESD防护。UVA可以呈现可见光范围内的蓝光和紫光，这样可提醒使用者所处的环境是否开启了紫外灯，从而防止紫外线对人体的伤害，增强了用户的使用体验感，而且UVA-LED的高速调制特性有助于脉冲杀菌。

图1 UVC-UVA双芯片Fig.1 UVC-UVA dual chip design scheme

按照目前市场上提供的UVC+UVA双芯片的电性参数，一般UVC-LED的工作电压为5～8 V，波长在275 nm左右，而UVA-LED的工作电压为3.0～3.3 V，波长在370 nm左右；所以，必须解决光源板的电源转换问题，其电子线路设计如图2所示，通过UV-LED和电阻R的串并联的电路设计解决电流一致性问题。

图2 UV-LED光源板电子线路Fig.2 UV-LED light source board electronic circnit

1.2 UV-LED的穿透性

应用现状：UV-LED穿透性不强，对光线穿透不了的物体内部和被覆盖的部分，没有明显的灭活效果[9]。

对策方案：UV-LED发光通常需要使用石英玻璃或其他对紫外线高透光率的玻璃材料，才可以起到杀菌消毒的作用。所以，不可以用常规PC罩和普通玻璃罩去防护UV-LED光源板，这样阻隔了紫外线的照射，但像石英玻璃这类材料不方便加工，或使用起来成本太高。考虑到这些因素，可以设计一个灯具结构，UV-LED光源板可以裸放在灯体上，再设计一个PC格架压贴光源板，既可保护LED灯珠，也可以减少外观上的突兀，在保证美观的同时减少对紫外线的阻隔，其结构设计如图3所示。

图3 UV-LED灯体结构Fig.3 UV-LED lamp structure

1.3 紫外线的危害性

应用现状：紫外线会对人体皮肤、眼睛、中枢神经等造成永久伤害[2]，所以，人们不应将自己暴露在紫外线下。

对策方案：把感应器件及其控制方案应用于灯具电路控制系统，从而智能控制使用场所的紫外线灯具的使用状况，其电子线路设计如图4所示。

图4 感应器控制电路图Fig.4 Sensor control circuit diagram

其工作原理如下：

1)当有人在时，可以通过微波感应器自动关闭紫外线灯具；

2)当人离开时，可以自动点亮UV-LED进行杀菌消毒；

3)在白天时，有太阳光或室内正常照明，可以开启光控器，紫外线灯具不工作；

4)在晚上时，可以关闭光控器，智能启动紫外线进行杀毒;

5)可以根据使用场所的需要，联控设置微波与光控，对上面四种情况进行组合使用；

6)可以根据场所环境的需要自行设定点亮时间。

2 UV-LED照明一体化灯具的设计研究

UV-LED照明灯具的应用和设计除了第1节讨论中所面临的主要问题和对策方案外，调查发现：传统紫外线消毒灯与照明灯开关相同并相邻，经常导致误开误用紫外线消毒灯，对人体造成伤害的事件时有发生[10]。所以，在现实环境中，一般分开设置消毒灯与照明灯的开关，并加上醒目的警告标志，由专人对紫外线灯的电源进行统一控制，导致操作不便，人员效率低下。本节主要讨论UV-LED照明灯具的一体化设计和安全性操作。

2.1 UV-LED照明灯具的一体化结构设计方案

1)可利用链接式一体化灯具的设计方案，如图5所示，链接灯管的个数和长度，可以形成多个组合，且可以任意变化角度和形状，如图6所示。

2)将照明灯管与UV-LED灯管共同链接在一起，实现UV-LED照明灯具的一体化设计如图7所示，同时可以任意设计链接照明灯管或UV-LED灯管的个数和长度，按需定制。

图5 链接式一体化灯具结构图Fig.5 Linked integrated lamp structure diagram

图6 链接式一体化灯具结构变化图Fig.6 Linked integrated lamp structure change diagram

图7 LED照明与杀菌一体化灯具的结构图Fig.7 Structure diagram of integrated LED lighting and sterilization lamps

2.2 UV-LED照明灯具的安全操作性的电路设计方案

在UV-LED照明灯具的一体化设计的基础上，综合运用微波感应、光控功能、延时电路和应急电源的工作原理，构建照明与杀菌一体化的工作模式，避免LED照明与紫外杀菌的同步工作，造成安全事故。其总体电路的设计方案如图8所示。

图8 LED照明与杀菌一体化灯具的电路设计框图Fig.8 Circuit design block diagram of integrated LED lighting and sterilization lamps

其工作原理如下：

a.当人走进工作场所，打开电源面板开关时，微波感应启动——工作状态，照明灯具点亮，紫外灯具关闭，同时，在光控电路控制下，照明灯具亮时紫外灯具熄，实现双重控制，确保工作安全；另外，应急电源处于启动——充电状态。

b.当人中途离开工作场所时，微波感应启动-关闭状态，照明灯具熄灭，延时电路工作，可任意设定延时时间，在延时了规定时间后，点亮紫外灯具进行杀菌，可按设计要求任意设定杀菌时间；当人中途再回到工作场所时,微波感应启动-工作状态，工作原理如a。

c.如果人离开工作场所，且关闭电源面板开关，则照明灯具熄灭，应急电源启动——供电状态，点亮紫外灯具进行杀菌，可按设计要求任意设定杀菌时间；在中途有人返回时，微波感应启动-工作状态，紫外灯具熄灭。

2.3 基于链接式一体化灯具的管控技术实现的产品功能

利用链接式一体化灯具可扩展、可变形的结构设计，搭配智能控制电路，可将LED照明与UV-LED杀菌两者完全合二为一，成为一个独立的灯具系统，同时实现以下产品功能：

1)LED杀菌的设计呈现智能、安全、可靠和多重控制，可以防范UVC-LED对人体的伤害；

2)产品照明与智能杀菌功能相对独立，为模块化设计，可完美任意整合为UV-LED照明一体式灯具，亦可分离为独立的一组照明灯具或一组紫外杀菌灯具；

3)产品为链接化设计，单个灯具可大角度自由旋转，变换各种各样的造型，简约而不简单，是一款集装饰、LED照明与UV杀菌为一体的灯具；

4)可自由而灵活地调整照明灯具与紫外杀菌灯具的链接数量、长度和功率，可满足客户不同照明场所的照明及杀菌需求。

3 结束语

UV-LED照明是近年来照明行业及市场细分的一个新的重点领域，可广泛应用于光固化、净化、消毒、刑侦、探伤等行业，正成为全球LED研究和投资的新热点。本文研究开发的UV-LED照明一体化灯具，从芯片结构、LED线路、灯体结构、控制线路等方面进行针对性设计，并且采用链接式一体化方案，便于任意设计，按需定制，旨在创新应用UV-LED，为UV-LED照明的推广使用起到催化作用。随着照明行业整体技术的进步和全社会对健康、卫生、安全意识的觉醒，UV-LED照明一体化灯具正步入了一个快速发展的阶段；随着基于物联网的智能控制系统的升级与完善，UV-LED照明一体化灯具将全面地保障人们的健康和安全。