Sterilisation mit UV-C-LEDs

Ultraviolett C (UV-C) Sterilisation durch LED-Beleuchtung ist durch Covid-19 ein wichtiges Thema: Hierbei geht es darum, effektiv und zuverlässig Oberflächen von Keimen zu befreien. Gegenwärtig wird auch Niederdruck-Quecksilber-UV-C-Sterilisationslicht verwendet. Dieser Prozess verbraucht jedoch mehr Energie und benötigt eine Wartezeit, bevor man den Sterilisationszyklus starten kann.

Die UV-C-LED-Beleuchtung ist ein interessantes Thema, um neue UV-C-LED-Leuchten für Hotels, Autozüge oder Krankenhäuser zu entwickeln. Andere Unternehmen arbeiten daran, vorhandene Leuchten mit UV-C-LED-Licht zu versehen, um häufig berührte Oberflächen wie z.B. Bankautomaten zu desinfizieren.

Nachfolgend werden wir auf LED-Licht für UV-C-LED und UV-C-Sterilisation sowie geeignete MEAN WELL-LED-Treiber für die UV-C-LED-Beleuchtung erläutert.

UV-C LED

Im Gegensatz zu LEDs, die zur Beleuchtung verwendet werden, emittiert die UV-C-LED ein purpurnes oder violettes Farbspektrum bei einer Wellenlänge von typischerweise 275 nm und auch die relativen Intensitätsspitzen liegen dort im Vergleich zu den gestreuten Wellenlängen der Beleuchtungs-LED:

Abbildung 1a: Relative Intensität der UV-C-LED bei einer Wellenlänge von 275 nm

Abbildung 1b: LED-Streuwellenlängen der normalen Beleuchtungs-LEDs

Um Keime effektiv zu sterilisieren, wird die UV-C-LED mit einer Intensität von 100% hergestellt, die bei einer Wellenlänge von 275 nm konzentriert ist.
 

UV-C Sterilisation mit LED-Licht

UV-C-Sterilisation LED-Licht hat zwei wichtige Parameter zur Desinfektion einer Oberfläche: Entfernungen und Beleuchtungszeit.

Eine einzelne UV-C-LED mit einer Leistung von ca. 2,5 W kann eine Bestrahlungsstärke von 99,9% auf einer 5-cm-Oberfläche abgeben (Abbildung 3). Die Bestrahlungsstärke ist die Menge an Lichtenergie oder Helligkeit über einer Oberfläche. Mit anderen Worten, es kann 99,9% der Keime auf einer ca.6x6 cm großen Oberfläche sterilisieren. Wenn die Oberfläche jedoch etwas weiter als 10 cm von der Strahlungsquelle entfernt ist, sinkt die Sterilisationsrate auf ungefähr 25%. Um die Sterilisationsfläche zu erhöhen, ist eine längere Bestrahlungszeit erforderlich.

Abbildung 2: UV-C-LED-Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Entfernung

Abbildung 3: UV-C-LED-Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Entfernung

Die Kurve in Abbildung 2 zeigt die Abhängigkeit des Abstands zur Bestrahlungszeit. Bei einem Abstand von 45 cm wird eine Bestrahlungszeit von etwa 5 Minuten und für 100 cm etwa 18 Minuten notwendig, um die Oberfläche zu 99,9% zu sterilisieren. Zeit und Entfernungen sind daher wichtige Parameter des UV-C-LED-Sterilisations-Lichts. Deshalb wird häufig eine programmierte Ein- und Ausschaltsteuerung entwickelt, um eine Oberfläche durch Zyklen wie 15 Minuten oder 30 Minuten Bestrahlungsdauer zu sterilisieren.

Entfernung, Zeit und Ein-/ Aus-Steuerung stehen in direktem Zusammenhang mit der Auswahl eines geeigneten LED-Treibers zum Ansteuern der UV-C-LEDs.  Tabelle 1 zeigt die Ausgangsleistung des LED-Netzteils, die für ein die UV-C-LED-Sterilisation bei einem Abstand 45 bis 60 cm und 180 bis 420 cm über der zu sterilisierenden Oberfläche erforderlich ist.

Zum Beispiel kann ein 20-W-LED-Treiber verwendet werden, um ein 18-W-UV-C-LED-Array mit Strom zu versorgen, um 99,9% der Keime auf einer Oberfläche von 45 bis 60 cm für etwa 5 Minuten zu sterilisieren. Mit dem LED-Treiber mit Dim-to-Off-Funktion kann das Licht für die Zyklussterilisation ein- und ausgeschaltet werden. Ähnlich wie bei einer Beleuchtungs-LED kann sie durch einen Konstantstrom- oder einen Konstantspannungs-LED-Treiber angesteuert werden, wobei der erstere die UV-C-LED direkt ansteuert und der letztere indirekt mit einem eingebauten DC/DC-Abwärts-LED-Treiber angesteuert wird.

Anforderungen der ApplikationVorgaben zum LED- NetzteilMEAN WELL LED Netzteile
Sterilisation mit Oberflächenabstand von 45~60 cmKonstantspannung12V&24V/20WIDLV-25-12/24
IDPV-25-12/24
Konstantstrom20WIDLC-25-350/500
IDPC-25-350/500
XLG-25-AB
Zyklussteuerung:  on/offDim-to-offDim-to-off
Sterilisation mit Oberflächenabstand von 180~420 cmKonstantspannung12V&24V/60WNPF-60-12/24
PWM-60-12/24
XLG-75-12/24
Konstantstrom60WXLG-75-L/H-AB
Zyklussteuerung:  on/offDim-to-offDim-to-off

Tabelle 1: LED-Treiberleistung im Verhältnis zum Sterilisationsabstand über der Oberfläche

Zusammenfassend hat LED-UV-C-Sterilisations-Quelle eine Wellenlänge von etwa 275 nm und kann von einem Konstantstrom- oder einem Konstantspannungs-LED-Netzteil angesteuert werden. Außerdem wird eine Oberfläche meist durch Beleuchtungszyklen sterilisiert, wobei die Dim-to-Off-Funktion des LED-Treibers verwendet wird. Um die Sterilisationszeit für eine bestimmte Abstände zu Oberfläche zu verkürzen, wird ein LED-Treiber mit höherer Leistung benötigt. In Tabelle 1 sind die MEAN WELL LED-Treibermodelle mit Dim-to-Off-Funktion aufgeführt, die für LED-UV-C-Sterilisation von Oberflächen mit einem Abstand von 45 bis 60 cm und 180 bis 420 cm geeignet sind. Darüber hinaus bietet Mean Well für die 360-Grad-LED-UV-C-Sterilisation höhere Nennleistungen mit der Serie XLG-100/150/200/240.

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