隨著UVC LED(短波紫外線LED)的性能不斷提升，這種新技術正從生命科學和環(huán)境監(jiān)測儀器應用中獲得動能。如同對于所有新興技術一樣，設計人員必須瞭解其與現(xiàn)有方案的一些基本差異，而不是理所當然地認為可以“即換即用”。這讓設計者能充份發(fā)揮UVC LED的全部優(yōu)勢。經過仔細地權衡，采用UVCLED的設計可以縮小產品體積、降低功耗，并為終端用戶降低擁有成本。

　　UVC LED的儀控應用

　　由于UVCLED能滿足市場對于小型化、降低成本和即時測量等趨勢的要求，將其導入光譜應用的興趣正持續(xù)升溫。相較于氘或氙氣閃光燈，LED輸出較窄頻譜光源，元件的光輸出全部都可用于測量。使用者可根據(jù)應用需求選擇感興趣的特定峰值波長。針對特定應用，目前已開發(fā)出254nm波長水銀燈的標準化測量方法。例如，當依據(jù)EPA標準檢測水和空氣品質時，需要一個接近254nm峰值波長的LED光源。表1整理在生命科學研究、藥品生產和環(huán)境監(jiān)測等應用中，能以光譜辨識的一些重要有機化合物。

表1：常見的有機化合物及其峰值吸收波長

　　在儀控應用中，選擇光源的另一個主要標準是峰值波長的光輸出。由于LED只有單一峰值，所以光輸出均集中于一個特定波長，這和其它紫外線(UV)燈并不一樣。吸收光譜的應用通常需要低層級的光輸出——1mW或以下。然而，在流通池(flowcell)與光源隔離的情況，由于光訊號在到達流通池前存在嚴重衰減，所以需要更高的光輸出功率。這可要求LED的光輸出遠超1mW。

　　在螢光光譜域，訊號強度與光的強度成正比。LED的激勵功率取決于所需檢測的示蹤劑濃度高低，所以在這些應用中，單個LED所需的光輸出可能大于2mW。圖1比較儀器中常用的UV光源輻照度。盡管LED的輸入功率要小得多，但在所需UVA波長段的輻照度卻高于其它光源，使其成為在特定測量中實現(xiàn)更高效的光源。

圖1：UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度比較

　　在選擇波長與光輸出后，另一個重要參數(shù)是視角，它影響到儀器的整個光學系統(tǒng)。廣泛來說，它有兩種選擇：窄視角或寬視角。窄視角經由球透鏡實現(xiàn)，寬視角則采用平面窗。窄視角可在小范圍內獲得高強度光，而其封裝通常用于光直接聚焦投射于儀器的應用。

　　平面窗具有更廣的輻射模式，當與光纖同時用于遠端耦合時，具有較佳的容限。這特別適用于流通池必須與光源和電子電路隔離的應用(例如監(jiān)測高溫化學過程或具有高揮發(fā)性溶劑的色譜分析)。在實際應用中：窄角球透鏡可使儀器中的元件數(shù)減至最少；而寬角平面窗則使設計更具有靈活性。

　　最佳化驅動電流，讓設計工程師可均衡光輸出以及應用的使用壽命要求。以低于制造商規(guī)范評等的額定電流驅動LED，將會降低光輸出，但也將延長光源的使用壽命。在需要高LED輸出功率的應用中，有些終端使用者選擇以高于資料表規(guī)格的電流驅動LED。以這種方式提高驅動電流，則可增加光輸出，但也會帶來犧牲性能的風險。

　　過熱是一種常見的問題，它可能同時對LED的光輸出和生命周期帶來負面影響。由于LED的瞬態(tài)開關特性，可以周期性方式快速開啟和關閉LED。在一般需要更高光輸出的螢光應用中，經常采用工作周期(dutycycle)操作，以便更安全地提高LED電流。

　　工作周期定義為LED在一次周期中開啟時間所占的百分比；其中，周期是指完成一次LED開-關循環(huán)所用的總時間。例如，以50%工作周期作業(yè)的LED，其開啟和關閉時間恰好各占一半。圖2顯示不同驅動電流與工作周期的標準化光輸出。

　　圖2：在此我們看到不同工作周期對標準化光輸出的影響，同時，LED的開啟時間持續(xù)在500μs。標準化功率是相對于最大額定工作電流100mA時(加裝合適散熱片)光輸出的相對光輸出功率以大電流驅動LED會影響LED結溫，進而影響其使用壽命和光輸出。

    最佳化工作周期可讓增加的驅動電流對結溫的影響降至最小，從而保護LED性能。圖3顯示工作周期對維持LED結溫可能產生的影響。以5%的工作周期操作LED，可在對結溫影響最低的情況下，使光輸出(圖2)提高三倍。

　　圖3：圖中顯示不同工作周期對結溫的影響，其中LED開啟時間都是500μs

　　過度發(fā)熱對于LED光輸出和使用壽命帶來負面影響。長期來看，發(fā)熱會縮短LED的使用壽命。采用UVCLED設計時，熱管理極其重要，因為相較于更長波長的LED，驅動UVCLED能量的更大部份被轉化為熱量。適當?shù)臒峁芾砟苁菇Y溫低于特定應用的要求，并保持LED的性能。除了被動和主動冷卻方法，所選擇的PCB也可以實現(xiàn)更佳散熱。

　　圖4：圖中比較未使用散熱片的FR4和Al PCB的熱墊溫度(a)；以及使用和不使用散熱片的AlPCB的熱墊溫度(b)

　　FR4由于其成本相對較低，是最常用的PCB材料之一，但其熱導率較低。對于系統(tǒng)熱負載高的系統(tǒng)來說，熱導率更高的金屬芯PCB是更好選擇。隨著散熱需求增加，設計者通常采用加大PCB面積和增加散熱片的方式實現(xiàn)較優(yōu)質的熱管理。如果需要更強的散熱，設計者還可采用更積極的冷卻技術。

　　隨著UVC LED性能提高，設計人員開始將其設計靈活的優(yōu)勢用在光譜儀器和消毒反應器等應用中。在這些應用中選用LED，可實現(xiàn)更緊密、更高效，通常也更具成本效益的設計。隨著UVC LED技術的不斷發(fā)展，聰明的設計師將會發(fā)現(xiàn)更多方法來發(fā)揮UVC LED的優(yōu)勢以因應這些市場的挑戰(zhàn)。