Kunden-panel
in Deinem Warenkorb
Registrierung

LEDs zum Sterilisieren mit UV-C-Strahlen

2020-10-29

LED UV

Während sich die Pandemie von Coronavirus auf der ganzen Welt ausbreitet, fragen wir uns immer häufiger, wie wir uns selbst und die Mitmenschen schützen können, egal ob zu Hause, bei der Arbeit oder an anderen Treffpunkten. Die Desinfektion und Sterilisation aller Räume, in denen wir uns aufhalten, sowie der Gegenstände, die wir verwenden, mit Flüssigkeiten auf Alkoholbasis, ist möglich, aber praktisch nicht machbar. Es ist unmöglich, jeden Ort zu erreichen, oder einfach nicht alle Oberflächen und Materialien sind zum Anfeuchten geeignet. Können die Errungenschaften der modernen Technologie irgendwie dazu beitragen, das Sicherheitsniveau in unserer Umwelt zu erhöhen?

Nach Angaben der CDC und der WHO besteht eine Möglichkeit, sich mit dem Coronavirus zu infizieren, darin, infizierte Objekte anzufassen und dann das Gesicht (Nase, Augen oder Mund) mit der infizierten Hand zu berühren. Das Beste, was wir tun können, um zu verhindern, dass das Virus in unseren Körper eindringt, ist es, soziale Distanzierung zu üben, Hände häufig zu waschen und Alltagsgegenstände zu desinfizieren. Dies gilt insbesondere für diejenigen Gegenstände, die wir häufig außerhalb von zu Hause verwenden oder näher an das Gesicht bringen, wie zum Beispiel Smartphones.

Glücklicherweise ist das mühsame und unbequeme Waschen mit Desinfektionsmittel nicht die einzige Möglichkeit, die Hygiene aufrechtzuerhalten. Bei der Desinfektion von Alltagsgegenständen können uns UV-Strahlungsquellen wie UV-Sterilisierungslampen helfen, die seit vielen Jahren in Krankenhäusern, Kliniken und anderen medizinischen Einrichtungen eingesetzt werden.

Verwendung von ultraviolettem Licht zur Desinfektion und Sterilisation

UV-Licht ist ein sehr wirksames Mittel zur Beseitigung verschiedener Krankheitserreger. Wie bereits erwähnt, verwenden medizinische Einrichtungen und Labors seit vielen Jahren UV-Lampen zur Sterilisation von Werkzeugen und zur Desinfektion von Krankenhausräumen. Kleinere Versionen dieser Lampen werden in kleinen Unternehmen und sogar in unseren Haushalten immer beliebter und bieten den Schutz alltäglicher Gegenstände vor Viren und Bakterien.

Es gibt drei Grundtypen von UV-Licht: UV-A (Wellenlänge: 315… 380 nm), UV-B (280… 315 nm) und UV-C (100… 280 nm). Ultraviolettes Licht , UV-C-Typ hat die geringste Wellenlänge und trägt die größte Energiemenge. Dank dessen kann es erfolgreich bakterien- und virenbekämpfend eingesetzt werden.

Untersuchungen zeigen, dass ultraviolettes Licht 99,9% aller Krankheitserreger eliminieren kann. Desinfektion und Sterilisation mit UV-Lampen ist eine effektive Methode Werkzeuge oder Alltagsgegenstände zu sterilisieren, ohne dass giftige Chemikalien verwendet werden müssen.

Angebot anschauen

Zerstört die UV-Lampe das COVID-19-Virus?

Es wird angenommen, dass sich das Coronavirus hauptsächlich von Person zu Person durch Tröpfchen verbreitet, wenn eine infizierte Person hustet oder niest. COVID-19 kann auch durch Berühren des Objekts, auf dem sich das Virus befindet, und dann durch Berühren von Mund, Nase oder Augen abgefangen werden, obwohl Wissenschaftler der Ansicht sind, dass dies nicht die Hauptmethode ist, mit der sich das Virus verbreitet.

Obwohl das Licht von UV-Lampen unter Labor- und klinischen Bedingungen getestet wurde und sich als wirksam bei der Abtötung verschiedener Krankheitserreger erwiesen hat, ist das Virus, das COVID-19 verursacht, eine völlig neue Krankheit. Während Experten sagen, dass es keine unbestreitbaren, schlüssigen Testergebnisse gibt, die darauf hinweisen, dass UV-Licht das Coronavirus abtöten kann, sollte dies möglich sein, wie dies bei anderen Mikroorganismen wie dem Influenzavirus der Fall ist. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass sich UV-Licht als sehr wirksame Maßnahme zur Eindämmung der Coronavirus-Pandemie und zur Aufrechterhaltung der Hygiene in unserer Umwelt erweist.

Verwendung von Ultraviolett - Welche Gegenstände können mit UV-Licht desinfiziert werden?

Ultraviolettes Lampenlicht kann 99,99% der Viren auf den Oberflächen von Materialien wie Glas, Metall, Holz und Kunststoffe abtöten, die mit einem UV-Inhibitor dotiert sind. Die meisten hochwertigen Kunststoffe enthalten sie, um Gegenstände aus ihnen im Freien vor Sonnenlicht zu schützen. Es gibt jedoch billige Kunststoffe ohne UV-Inhibitoren. Daraus hergestellte Elemente können sich unter dem Einfluss einer kontinuierlichen Einwirkung von UV-Licht verfärben und/oder spröde und zerbrechlich werden.

Desinfektion und Sterilisation mit UV-Licht

UV-Licht ist ein wirksames Mittel gegen verschiedene Arten von Mikroorganismen. Mit seiner Hilfe kann man nicht nur Viren und Bakterien, sondern auch Pilzsporen abtöten. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, wie diese Art von Strahlung zur effektiven Desinfektion eingesetzt werden kann.

Im Handel gibt es viele Sterilisatoren, die UV-Licht verwenden. Sie werden häufig in medizinischen Einrichtungen, Behandlungsräumen, kosmetischen Einrichtungen und anderen Einrichtungen dieser Art eingesetzt. Meistens sind es UV-Leuchtstofflampen die für die Desinfektion von Räumen bestimmt sind. Sie werden auf einem Ständer montiert, der bewegt und an der gewünschten Stelle aufgestellt werden kann. Eine andere Ausführungsform sind relativ große Kästen oder Kammern, die Mikrowellenöfen ähneln und zum Sterilisieren von Gegenständen wie Scheren, Pinzetten und anderen Gegenständen verwendet werden können, die hineinpassen.

Die Strahlungsmenge, die die Oberfläche erreicht, wird in Joule pro Quadratmeter (J/m2) angegeben. Wie wir uns aus dem Physikunterricht erinnern, ist ein Joule die Menge an Arbeit, die durch die Leistung von 1 W in 1 Sekunde erledigt wird, also 1 J = 1 W × 1 s. Wenn man sich die Formel anschaut, kommt man einfach darauf, bei einer konstanten Strahlleistung ein Faktor, der über die an der Oberfläche ankommende Energiemenge entscheidet (und somit auch über die Sterilisierung), die Zeit ist. Je länger die Wirkungszeit der UV-Strahlen, desto mehr Erreger werden abgetötet.

Ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 270 bis 290 nm wird zur Desinfektion und Sterilisation verwendet, obwohl sich der UV-Bereich selbst von 100 bis 400 nm erstreckt. Die Beständigkeit von Mikroorganismen gegen UV-Strahlung variiert. Bakterien sterben unter UV-Licht am schnellsten ab und ihre Sporen, Viren und Pilzesporen langsamer. Um die meisten uns bekannten Bakterien, Viren und deren Sporen abzutöten, reicht es aus, 8 mJ/cm² bereitzustellen. Pilzsporen zeigen die größte Beständigkeit gegen UV-Strahlung, aber die gute Nachricht ist, dass pathogene Pilze eine geringere Beständigkeit gegen UV-Strahlung aufweisen als Bakteriensporen.

Die Strahlungsdosis wird als Produkt aus der Intensität der Strahlung und der Belichtungszeit berechnet. Die erforderliche Bestrahlungszeit kann aus der Intensität der ultravioletten Lichtquelle berechnet werden. Zum Beispiel, wenn ein UV-Desinfektionsmittel mit einer Bestrahlungsintensität von 70 µW/cm2 verwendet wird, um die Oberfläche eines Objekts aus einer kurzer Entfernung zu beleuchten, kann die Strahlungsdosis, die 70 µW/cm2 entspricht, mithilfe folgender Formel berechnet werden:

Es soll dabei beachtet werden, dass UV-Sterilisatoren gesundheitsschädlich sein und Ihr Sehvermögen oder Ihre Haut beeinträchtigen können. Daher sollte die UV-Lichtquelle abgedeckt und ausgeschaltet werden, wenn die Abdeckung der Desinfektionskammer geöffnet wird. Wenn sich die UV-Lichtquelle nur an einer Seite des Objekts befindet, sollte sie nach der angegebenen Zeit gedreht werden, damit auch die andere Seite desinfiziert wird. Wenn eine UV-Quelle in einem Raum verwendet wird, sollte sie am liebsten erst dann eingeschaltet werden, wenn der Raum leer ist. Man kann das UV-Licht auch einschalten, wenn sich jemand darin befindet, jedoch nicht länger als 30 Minuten, bei Verwendung der persönliche Schutzausrüstung (Haut abdecken, UV-Schutzbrille verwenden). Eine interne (in das Volumen der Flüssigkeit eingebracht) oder eine externe Quelle kann zur Desinfektion von Wasser und anderen Flüssigkeiten verwendet werden. Wenn eine interne Quelle verwendet wird, sollte die UV-Lichtquelle mit einer Quarzglasabdeckung ausgestattet werden. Unabhängig von der gewählten Methode sollte die Dicke der Wasserschicht weniger als 2 cm betragen.

Es gibt keine veröffentlichten offiziellen Studien, die die Energiemenge belegen, die zur Neutralisierung des Virus benötigt wird, das COVID-19 verursacht. Seine Struktur wird jedoch mit dem Virus "Hepatiti A Virus" verglichen, das resistenter gegen UV-C-Strahlen ist und für das die Abtötungsdosis weniger als 7 mJ/cm² beträgt. Auf dieser Basis wird geschätzt, dass die zur Neutralisierung des Coronavirus, das die COVID-19-Krankheit verursacht, erforderliche Dosis ungefähr 4 mJ/cm 2 beträgt. Dies bedeutet, dass eine Ultraviolettlampe, die 1 W/cm2UV-C-Strahlung in einem Abstand von 1 m von der Oberfläche emittiert, 400 Sekunden oder etwa 7 Minuten benötigt, um sie zu 90% zu desinfizieren.

Desinfektionskammer für Smartphones

Leuchtdioden, die UV-Strahlung emittieren, wurden vor einiger Zeit entwickelt, sie waren jedoch anfangs hauptsächlich zur Stimulierung des Leuchtstoffs, der weißes Licht emittiert, nützlich. Heutzutage erzeugen viele Hersteller LEDs, die UV-Licht unterschiedlicher Intensität emittieren und für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. In den letzten Jahren hat dank der Entwicklung der Halbleitertechnologie die Lichtleistung solcher Quellen erheblich zugenommen, was das Anwendungsspektrum erweitert hat.

UV-Dioden ermöglichen die Schaffung neuer Anwendungen, bei denen typische UV-Lichtquellen (z. B. eine Quecksilberlampe) nicht funktionieren. Beispielsweise kann eine kleine UVC-LED im Tank einer Kaffeemaschine montiert werden, die bei nahezu unbegrenzter Strahlenbelastung das Wachstum von Mikroorganismen im Wasser hemmt. In dieser Anwendung ist es sehr vorteilhaft, die LED mit einer niedrigen Spannung zu versorgen, wodurch das Risiko eines Stromschlags ausgeschlossen wird. Dies ist besonders wichtig, da die Lichtquelle unter Bedingungen erhöhter Luftfeuchtigkeit funktioniert. Darüber hinaus macht die Lebensdauer der LED kostspielige Wartungsarbeiten überflüssig.

Die gleichen Eigenschaften der UV-LEDs sind in kompakten Luftreinigern oder Desodorierungsmitteln wertvoll. In diesen Vorrichtungen bestrahlt das UV-A-Licht den mit Titandioxid beschichteten Katalysator, um freie Radikale zu erzeugen, die große organische Moleküle abbauen. Solche Reiniger können in Kühlschränken und Klimaanlagen montiert werden, um unangenehme Gerüche zu entfernen. In Kombination mit einem keimtötenden UV-C-Licht hält der Luftreiniger die Klimaanlage frisch und frei von Krankheitserregern aus der Luft. Gleichzeitig wird die Häufigkeit der Filterreinigung und des Filterwechsels verringert.

Einer der führenden LED-Hersteller ist die Firma Liteon und gerade mit der Verwendung ihrer Produkte wurde beschlossen, eine Desinfektionskammer zu bauen. Für den Aufbau wurden die Dioden von Typ LTPL-G35UVC275GZ ausgewählt. Es sind Dioden mit einer maximalen Leistung von 3 W in einem Keramikgehäuse. Der Abstrahlwinkel, der in der aufgebauten Kammer verwendet werden kann, beträgt 120 °. Eine hohe LED-Leistung garantiert eine schnelle und effektive Desinfektion. Der LED-Versorgungsstrom ist relativ groß, da er 0,35 A beträgt und die Nennspannung typischerweise 6,2 V beträgt. Unter den Bedingungen unserer Anwendung beträgt die Leistung des Stroms, der die Diode versorgt, 2,17 W.

Der Kompromiss zwischen dem Abstrahlwinkel und den Außenabmessungen der entworfenen Kammer bestimmt den Abstand zwischen der UV-LED und dem desinfizierten Objekt. Nehmen wir an, dass die maximalen Abmessungen des in der Kammer platzierten Smartphones (160 × 80 × 12) mm betragen. Abbildung 1 zeigt eine Skizze der entworfenen Kammer. Die Annahmen für den Aufbau der Kammer können mit grafischen Objekten getroffen werden - es reicht aus, die UV-LED und das beleuchtete Objekt zu skizzieren und diese Komponenten richtig zu platzieren. Die Kammer und das Objekt sind nicht groß, daher ist es am besten, dies im Maßstab 1: 1 zu tun. Dann verwendet man eine Software oder ein Lineal, um die Zeichnung zu bemessen - fertig.

Abbildung 1. Skizze der Desinfektionskammer für Smartphones, mit der die Position der LEDs in Bezug auf das desinfizierte Objekt (z.B. Smartphone) bestimmt werden kann

Was kann man aus der Skizze lernen? Es lohnt sich, UV-Dioden so nah wie möglich zu installieren. Dieser Abstand muss ein Kompromiss sein, da man bedenken muss, dass LEDs sehr leistungsstark sind und sich während des Betriebs sicher erwärmen. Daher wurde beschlossen, 4 UV-LED-Teile zu verwenden: zwei oben und zwei unten. Wenn der Abstand zwischen den LEDs etwa 80 mm beträgt, beträgt der kürzeste Abstand zwischen ihnen und dem Objekt (so dass der UV-Strahl das gesamte Smartphone abdeckt) 25 mm. Die kleinste, weil sie sich direkt auf die Abmessungen der Kammer auswirkt, oder vielmehr unsere Absicht ist, die Desinfektionskammer ergonomisch und so klein wie möglich zu gestalten. Wir sollten jedoch auch daran denken, dass die LEDs eine relativ hohe Leistung haben, sodass wir uns um den Kühlluftstrom kümmern müssen. Bei Bedarf kann er mit einem Lüfter erzwungen werden.

Versuchen wir, einige Entwurfsannahmen aus den in Abbildung 1 angegebenen Abmessungen zu ziehen. Damit das Objekt in die Kammer passt und seine Ränder auch belichtet werden, muss zwischen dem Kammergehäuse und dem Objekt ein gewisser Abstand vorhanden sein. Angenommen, es sind 4 mm. Wenn das Smartphone (160 × 80 × 12) mm breit ist und der Abstand vom Objekt zur UV-Diode 25 mm beträgt, betragen die Innenabmessungen der Kammer (168 × 88 × 62) mm.

Ein beispielhafter Aufbau einer Kammer ist in Abbildung 2 dargestellt. Es muss auch Platz geben für: einen Sicherheitsschalter (Ausschalten des UV-Lichts nach dem Öffnen des Gehäuses), Befestigungslöcher für Platten mit UV-LED, Löcher für Drähte und Steckverbinder sowie eine Befestigung für eine Elektronik-Platine unter Berücksichtigung der Tasten, Fenster für ein Display oder andere Anzeige für die Belichtungszeit, Scharniere für die Abdeckung, usw. So könnte jedoch das Design des Kammergehäuses für die Desinfektion von Smartphones sein, das beispielsweise auf einem 3D-Drucker hergestellt werden soll. Wie man sehen kann, verfügt der untere Teil des Fachs über 4 Halterungen, an denen man das Smartphone legen kann. Natürlich können sie auch anders hergestellt und für die am häufigsten desinfizierten Objekte neu gestaltet werden.

Abbildung 2. Gehäusekonstruktion läuft

Abbildung 3 zeigt eine vorgeschlagene Treiberlösung. Sein Herz ist ein kostengünstiger ATtiny2313 AVR-Mikrocontroller. Ein hochpräzises Timing ist nicht erforderlich, daher funktioniert es mit dem Timing unter Verwendung eines eingebauten RC-Generators. Ein unkomplizierter Transistorschlüssel, der die UV-Dioden aktiviert, ist mit dem als Ausgang konfigurierten PD4-Pin verbunden. Die Dioden im Diagramm haben ihre P1… P4-Anschlüsse, die nicht obligatorisch sind und als Lötpunkte auf der Platine hergestellt werden können. Ihre Verwendung erleichtert zwar die Montage, Demontage und Inbetriebnahme der Kammer, es besteht jedoch keine Verpflichtung zur Verwendung von Steckverbindern.

Die UV-Dioden werden von einer Stromquelle versorgt, die auf der Basis der bekannten LM317-Schaltung hergestellt wurde und in der Konfiguration eines Stromstabilisators arbeitet. Diese Lösung ist in vielerlei Hinsicht viel besser als die Verwendung eines Widerstands. Zum einen schützt es die Dioden unter wechselnden Temperaturbedingungen und zum anderen kann die Kammer mit einem weiten Spannungsbereich betrieben werden.

In dieser Konfiguration ist der Ausgangsstrom des LM317 durch die folgende Gleichung bestimmt:

UV-Dioden arbeiten in einer Reihe-Parallelschaltung. Ihre Nennspannung beträgt ca. 6,2V. Unter Berücksichtigung der Spannung, die für den ordnungsgemäßen Betrieb des LM317 und des Transistorschlüssels erforderlich ist, sollte eine 15-V-Quelle mit einer Lastkapazität von 1A oder mehr an den G1-Stromanschluss angeschlossen werden. Es kann eine höhere Spannung angelegt werden, es ist jedoch Vorsicht geboten, da überschüssige Spannung in Form von Wärme verloren geht, die auf irgendeine Weise abgeführt werden muss.

Der Mikrocontroller wird mit 5 V Spannung versorgt, die vom Stabilisator U2 Typ 78L05 erzeugt wird. Die Benutzeroberfläche besteht aus: Tasten S1… S3, einem 7-Segment-Display SEG1 und einem an die Buchse P5 angeschlossenen Sicherheitsschalter. Der Mikrocontroller kann über den P6-Anschluss im System programmiert werden. Die Anzeige wird direkt vom PB-Port des Mikrocontrollers gesteuert. Die Tasten sind mit den PD0… PD2-Pins, dem Sicherheitsschalter mit PD3 und dem Transistorschlüssel verbunden, der die UV-Dioden mit PD4 verbindet.

Die Mikrocontroller-Software kann in jeder Sprache für AVR-Mikrocontroller geschrieben werden, beispielsweise mit AVR Studio und dem Compiler GCC AVR. Es könnte jedoch genauso gut der einst beliebte Bascom AVR oder ein anderer sein. Der Betriebsalgorithmus des Programms könnte wie folgt sein:

  • Beim Einschalten werden die UV-LEDs ausgeschaltet und auf dem Display wird "0" oder ein horizontaler Strich angezeigt.
  • Der Benutzer stellt die Belichtungsszeit mit den Tasten "Plus" / "Minus" ein. Es steht nur eine Anzeige zur Verfügung, daher sollte die Belichtungszeit in einem bestimmten Intervall eingestellt werden, beispielsweise alle 15 Minuten. Daher kann "1" 15 Minuten, "2" - 30 Minuten usw. sein. Sie können auch Buchstaben verwenden, obwohl eine "9" -Zeit von 405 Minuten sehr lang zu sein scheint. "A" kann jedoch 420 Minuten betragen usw.
  • Wir drücken auf "Start", um die Desinfektion zu starten. Während der Desinfektion ändert sich die auf dem Display angezeigte Nummer alle 15 Minuten. Das Ende der Desinfektion wird auf dem Display durch "0" und - offensichtlich - durch Ausschalten der UV-LED angezeigt.
  • Die Software prüft vor dem Einschalten und während des Betriebs, ob die Abdeckung geschlossen ist. Wenn nicht, wird die UV-LED sofort ausgeschaltet. Das Schließen der Abdeckung weist auf einen Kurzschluss der PD3-Leitung mit Masse hin. Wenn die Geräteabdeckung während der Desinfektion geöffnet wurde, wird die Beleuchtung nach dem Schließen fortgesetzt.

Abbildung 3. Ein Lösungsvorschlag für eine Desinfektionskammersteuerung

Zum Schluss

Der Artikel stellt das Konzept des Aufbaus einer Smartphone-Desinfektionskammer vor. Die oben genannten Lösungen sollten als Idee und nicht als fertiges Gerätedesign für die Selbstkonstruktion behandelt werden. Durch die Herstellung einer solchen Kammer kann sie frei an eigene Bedürfnisse angepasst werden. Das Gehäuse der Kammer muss nicht unbedingt mit einem 3D-Drucker hergestellt werden - man kann hier entweder ein fertiges Gehäuse verwenden oder es kann beispielsweise aus Holz bestehen. Es soll jedoch betont werden, dass es ein Material sein sollte, das gegen UV-Strahlen beständig ist. Ähnlich verhält es sich mit einem Schalter, der auf einem Mikrocontroller basiert. Anstatt es selbst auf der Basis eines Mikrocontrollers zu erstellen, kann man einen vorgefertigten Timer verwenden, obwohl das Schreiben des Programms selbst gemäß den im Artikel angegebenen Richtlinien viel Spaß machen kann. Natürlich kann man anstelle der LED-Anzeige das LCD-Anzeigemodul verwenden, auf dem viel mehr Informationen angezeigt werden, und anstelle von Tasten kann man einen Encoder mit einer Taste verwenden, der alle Funktionen der Manipulatoren der Benutzeroberfläche enthält.

Zur Stromversorgung der UV-LED sollte eine Stromquelle verwendet werden. Unabhängig von der Schwellenspannung der Diodenanschlüsse, die sich aufgrund der Erwärmung der Halbleiterstruktur ändert, wird ein konstanter Versorgungsstrom aufrechterhalten. Dies hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer von LEDs, die viel teurer sind als Standard-LEDs.

LESE AUCH

Dein Browser wird nicht mehr unterstützt, bitte lade eine neue Version herunter