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LED para esterilización con luz UV-C

2020-10-29

LED UV

A medida que la pandemia de coronavirus se propaga por todo el mundo, nos preguntamos cada vez más cómo mantenernos seguros a nosotros mismos y a los demás en el hogar, el trabajo u otros lugares de reunión. Desinfectar y esterilizar todas las habitaciones en las que nos hospedamos y los objetos que usamos con líquidos a base de alcohol es posible, pero no prácticamente factible. Es imposible llegar a todos los lugares o simplemente no todas las superficies y materiales serán aptos para mojar. ¿Pueden los logros de la tecnología moderna ayudar de alguna manera a aumentar el nivel de seguridad en nuestro entorno?

Según la información publicada por los CDC y la OMS, una posible forma de contraer el coronavirus es tocar objetos infectados y luego tocar la cara de la mano infectada (nariz, ojos o boca). Lo mejor que podemos hacer para evitar que el virus entre en nuestro cuerpo es practicar el distanciamiento social, lavarnos las manos con frecuencia y desinfectar los artículos de uso diario. Esto se aplica especialmente a aquellos que solemos usar fuera de casa o los acercamos a la cara, como, por ejemplo, los teléfonos inteligentes.

Afortunadamente, el tedioso e incómodo lavado con desinfectante no es la única forma de mantener la higiene. En la descontaminación de objetos cotidianos, las fuentes de radiación ultravioleta, como las lámparas de esterilización ultravioleta, utilizadas durante muchos años en hospitales, clínicas y otras instalaciones médicas pueden ayudarnos.

El uso de luz ultravioleta para desinfección y esterilización.

La luz ultravioleta es un medio muy eficaz para eliminar varios patógenos. Como se mencionó, las instalaciones médicas y los laboratorios han estado utilizando lámparas ultravioleta para esterilización de herramientas y desinfección de habitaciones de hospital durante muchos años. Las versiones más pequeñas de estas lámparas se están volviendo cada vez más populares en las pequeñas empresas e incluso en nuestros hogares, y brindan una herramienta para ayudar a proteger los artículos cotidianos de los virus y las bacterias.

Hay tres tipos básicos de luz UV: UV-A (longitud de onda: 315… 380 nm), UV-B (280… 315 nm) y UV-C (100… 280 nm). La luz ultravioleta, tipo UV-C tiene la longitud de onda más corta y transporta la mayor cantidad de energía. Gracias a esto, se puede utilizar con éxito bactericida y virucida.

La investigación muestra que la luz ultravioleta es capaz de eliminar el 99,9% de todos los patógenos. La desinfección y esterilización con lámparas UV es una forma eficaz de esterilizar herramientas u objetos cotidianos, sin necesidad de utilizar productos químicos tóxicos.

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¿La lámpara ultravioleta destruirá el virus COVID-19?

Se cree que el coronavirus se transmite principalmente de persona a persona a través de gotitas cuando una persona infectada tose o estornuda. El COVID-19 también se puede contraer tocando primero el objeto sobre el que se encuentra el virus y luego tocando la boca, la nariz o los ojos, aunque los científicos creen que esta no es la forma principal de propagación del virus.

Aunque la luz de las lámparas UV se ha probado en condiciones clínicas y de laboratorio y se ha demostrado que es eficaz para matar varios patógenos, el virus que causa COVID-19 es una enfermedad completamente nueva. Si bien los expertos dicen que no hay resultados de pruebas incontrovertibles y concluyentes que indiquen que la luz ultravioleta puede matar el coronavirus, debería poder hacerlo, como es el caso de otros microorganismos, como el virus de la influenza. Por tanto, es muy probable que la luz ultravioleta pueda resultar una medida muy eficaz para ayudar a contener la pandemia de coronavirus y mantener la higiene en nuestro entorno.

El uso de ultravioleta – ¿Qué elementos se pueden descontaminar con luz ultravioleta?

La luz de la lámpara ultravioleta puede matar el 99,99% de los virus en las superficies de materiales como vidrio, metal, madera y plásticos, que están dopados con un inhibidor de rayos UV. La mayoría de los plásticos de alta calidad los contienen para proteger los artículos hechos con ellos de la luz solar cuando se usan al aire libre. Sin embargo, existen plásticos baratos que no tienen inhibidores de UV. Los elementos fabricados con ellos pueden decolorarse bajo la influencia de la exposición continua a la luz ultravioleta y / o volverse frágiles y quebradizos.

Desinfección y esterilización con luz ultravioleta

La luz ultravioleta es un medio eficaz para luchar contra varios tipos de microorganismos. Con su ayuda, no solo puede matar virus y bacterias, sino también esporas de hongos. Sin embargo, es importante comprender cómo utilizar este tipo de radiación para desinfectar de forma eficaz.

Hay muchos esterilizadores comerciales disponibles que utilizan luz ultravioleta. Son ampliamente utilizados en instalaciones médicas, salas de tratamiento, establecimientos de cosmética y otras instalaciones de este tipo. La mayoría de las veces son lámparas UV diseñadas para desinfectar habitaciones, montadas en un soporte, que se puede mover y colocar en el lugar deseado. Otra forma de realización son cajas o cámaras relativamente grandes que se asemejan a hornos microondas que se pueden usar para esterilizar artículos tales como tijeras, pinzas y otros artículos en su interior.

La cantidad de radiación que llega a la superficie se especifica en julios por metro cuadrado(J/m2). Como recordamos de las clases de física, un julio es la cantidad de trabajo realizado por la potencia de 1 W en 1 segundo, por lo que 1 J = 1W × 1s. a la superficie del objeto y, por lo tanto, su esterilización llevará tiempo; cuanto más larga sea la exposición a la luz ultravioleta, más microorganismos morirán. La luz ultravioleta con una longitud de onda en el rango de 270 a 290 nm se usa para la desinfección y esterilización, aunque el rango de UV en sí se extiende de 100 a 400nm. La resistencia de los microorganismos a la radiación ultravioleta varía. Las bacterias mueren más rápidamente a la luz ultravioleta, y sus esporas, virus y hongos mueren más lentamente. Para matar la mayoría de las bacterias, los virus y sus esporas conocidos, es suficiente proporcionar 8 mJ/cm^2. Las esporas de hongos son las más resistentes a la radiación ultravioleta, pero la buena noticia es que los hongos patógenos tienen menos resistencia a la radiación ultravioleta que las esporas bacterianas.

La dosis de radiación se calcula como el producto de la intensidad de la radiación y el tiempo de exposición. El tiempo de irradiación requerido se puede calcular a partir de la intensidad de la fuente de luz ultravioleta. Por ejemplo, si se utiliza un desinfectante UV con una irradiación de 70µW/cm2 para iluminar la superficie del objeto desde una distancia corta, la dosis de radiación correspondiente a 100 µJ/cm2 se puede calcular a partir de la fórmula:

Tenga en cuenta que los esterilizadores UV pueden ser perjudiciales para la salud y pueden afectar negativamente a la vista o la piel. Por lo tanto, la fuente de luz ultravioleta debe cubrirse y apagarse si se abre la tapa de la cámara de desinfección. Si la fuente de luz ultravioleta solo se coloca en un lado del objeto, debe girarse después del tiempo especificado para que el otro lado también se desinfecte. Si usa una fuente de luz ultravioleta en una habitación, es mejor encenderla cuando la habitación esté vacía. También puede encender la luz ultravioleta cuando haya alguien dentro, pero no más de 30 minutos, mientras usa equipo de protección personal (cubra la piel, use anteojos que bloqueen los rayos ultravioleta). Se puede usar una fuente interna (colocada en el volumen del líquido) o una fuente externa para desinfectar el agua y otros líquidos. Si se utiliza una fuente interna, la fuente de luz ultravioleta debe estar equipada con una cubierta de vidrio de cuarzo. Independientemente del método adoptado, el espesor de la capa de agua debe ser inferior a 2 cm.

No hay estudios oficiales publicados que confirmen la cantidad de energía necesaria para neutralizar el virus que causa COVID-19. Sin embargo, su estructura se compara con el virus "Hepatiti A Virus", más resistente a los rayos UV-C, para el que la dosis letal es inferior a 7 mJ/cm2. Sobre esta base, se estima que la dosis necesaria para neutralizar el coronavirus causante de la enfermedad COVID-19 es de aproximadamente 4 mJ/cm2. Esto significa que una lámpara ultravioleta que emite 1 W/cm2 de radiación UV-C a una distancia de 1 m de la superficie tarda 400 segundos, o aproximadamente 7 minutos, en desinfectarla en un 90%.

Cámara de desinfección de teléfonos inteligentes

Los diodos emisores de luz que emiten radiación UV se desarrollaron hace algún tiempo, pero inicialmente fueron principalmente útiles para estimular el fósforo que emite luz blanca. Hoy en día, muchos fabricantes producen LED que emiten luz ultravioleta de diferente intensidad, adecuada para una variedad de aplicaciones. En los últimos años, gracias al desarrollo de la tecnología de semiconductores, la potencia luminosa de tales fuentes ha aumentado significativamente, lo que ha ampliado el espectro de sus aplicaciones.

Los diodos UV permiten la creación de nuevas aplicaciones en las que las fuentes de luz UV típicas (por ejemplo, una lámpara de mercurio) no funcionarán. Por ejemplo, se puede montar un pequeño LED UVC dentro del tanque de una máquina de café que, con una exposición casi ilimitada a la radiación, inhibe el crecimiento de microorganismos en el agua. En esta aplicación, es muy ventajoso alimentar el LED con un voltaje bajo, lo que elimina el riesgo de descarga eléctrica. Esto es especialmente importante porque la fuente de luz funcionará en condiciones de mayor humedad. Además, la vida útil de los LED elimina la necesidad de un servicio costoso.

Las mismas propiedades del LED UV son valiosas en purificadores de aire compactos o desodorantes. En estos dispositivos, la luz UV-A irradia el catalizador recubierto de dióxido de titanio para generar radicales libres que descomponen las moléculas orgánicas grandes. Estos purificadores pueden montarse en refrigeradores y sistemas de aire acondicionado para eliminar los olores desagradables. Combinado con una luz germicida UV-C, el purificador mantiene su sistema de aire acondicionado fresco y libre de patógenos transportados por el aire. Al mismo tiempo, reduce la frecuencia de limpieza y reemplazo del filtro.

Uno de los líderes entre los productores de LED es la empresa Liteon y fue con el uso de sus productos que se decidió hacer una cámara de desinfección. Se eligieron LED del tipo para su construcción LTPL-G35UVC275GZ. Es un diodo con una potencia máxima de 3W, en una carcasa de cerámica. El ángulo del haz que se puede utilizar en la cámara construida es de 120°. La alta potencia del LED es garantía de una desinfección rápida y eficaz. La corriente de la fuente de alimentación del LED es relativamente grande, ya que es de 0,35 A y el voltaje nominal es típicamente de 6,2 V. En las condiciones de nuestra aplicación, la potencia de la corriente que alimenta el diodo será de 2,17W.

El compromiso entre el ángulo del haz y las dimensiones externas de la cámara diseñada determina la distancia entre el LED UV y el objeto desinfectado. Supongamos que las dimensiones máximas del teléfono inteligente colocado en la cámara serán (160×80×12) mm. En el Dibujo 1 muestra un esquema de la cámara diseñada. Las suposiciones para la construcción de la cámara se pueden hacer utilizando objetos gráficos: simplemente dibuje el LED UV, el objeto iluminado y organice estos componentes en consecuencia. La cámara y el objeto no serán grandes, por lo que es mejor hacerlo en una escala de 1:1. Luego, use el programa o una regla para acotar el dibujo y estará listo.

Dibujo 1. Esquema de la cámara de desinfección del teléfono inteligente que permite determinar la ubicación de los LED en relación con el objeto desinfectado (p.ej., del smartphone)

¿Qué puedes aprender del boceto? Los diodos UV deben instalarse lo más cerca posible. Esta distancia tiene que ser un compromiso, porque hay que recordar que los LED son bastante potentes y seguramente se calentarán durante el funcionamiento. Por lo tanto, se decidió utilizar 4 piezas de LED UV, dos en la parte superior y dos en la parte inferior. Si la distancia entre los LED es de unos 80mm, la distancia más corta entre ellos y el objeto (para que el rayo UV cubra todo el smartphone) será de 25mm. La más pequeña, porque incide directamente en las dimensiones de la cámara, o más bien nuestra intención es hacer la cámara de desinfección ergonómica y lo más pequeña posible. Sin embargo, también debemos recordar que los LED tienen una potencia relativamente alta, por lo que tendrás que cuidar el flujo de aire de refrigeración. Si es necesario, se puede forzar con un ventilador.

Tratemos de recopilar algunas suposiciones de diseño a partir de las dimensiones dadas en el Dibujo 1. Para que el objeto encaje en la cámara e ilumine sus bordes, se debe proporcionar un cierto espacio entre la carcasa de la cámara y el objeto. Suponga que será de 4mm. Si el teléfono inteligente tiene (160×80×12) mm de ancho y la distancia desde el objeto al diodo UV es de 25 mm, las dimensiones internas de la cámara serán (168×88×62)mm.

Un diseño ejemplar de la cámara se muestra en el Dibujo 2. También debe incluir un lugar para un interruptor de seguridad (apagar la luz UV después de abrir la carcasa), orificios de montaje para placas con LED UV, orificios para cables y conectores, montaje para una placa electrónica con botones, una ventana para display u otro indicador del tiempo establecido de encendido, bisagras de la tapa, etc. Sin embargo, así es como podría verse el diseño de la carcasa de la cámara para la desinfección de teléfonos inteligentes, p.ej., en una impresora 3D. Como puede ver, la parte inferior del compartimento tiene 4 soportes diseñados para soportar el teléfono inteligente. Por supuesto, también se pueden hacer de forma diferente y rediseñar para los objetos desinfectados con mayor frecuencia.

Dibujo 2. Diseño de carcasa durante la realización

En el Dibujo 3. se muestra la propuesta de solución de controlador. Su corazón es un microcontrolador AVR ATtiny2313 de bajo costo. No se requiere una sincronización de alta precisión, por lo que funciona con la sincronización utilizando un generador RC incorporado. Una sencilla llave de transistor que activa los diodos UV está conectada al pin PD4 configurado como salida. Los diodos del diagrama tienen sus conectores P1… P4, que no son obligatorios y se pueden realizar como puntos de soldadura en la placa. Es cierto que su uso facilitará el montaje, desmontaje y puesta en marcha de la cámara, pero no hay obligación de utilizar conectores.

Los diodos UV funcionan con una fuente de corriente basada en el conocido circuito LM317, que funciona con la configuración de estabilizador de corriente. Esta solución es en muchos aspectos mucho mejor que usar una resistencia. En primer lugar, protege los diodos en condiciones cambiantes de temperatura de funcionamiento y, en segundo lugar, permite que la cámara se alimente con un amplio rango de voltaje. En esta configuración, la corriente de salida del LM317 viene dada por la ecuación:

Los diodos UV funcionan en conexión serie-paralelo. Su voltaje nominal es de aproximadamente 6.2V. Teniendo en cuenta el voltaje necesario para el correcto funcionamiento del LM317 y la llave de transistor, se debe conectar una fuente de 15V con una capacidad de carga de 1A o más al conector de alimentación G1. Es posible aplicar un voltaje más alto, pero tenga cuidado ya que el exceso de voltaje se perderá en forma de calor que tendrá que disiparse de alguna manera.

El microcontrolador está alimentado por voltaje de 5V obtenido del estabilizador U2 tipo 78L05. La interfaz de usuario consta de: botones S1… S3, una pantalla de 7 segmentos SEG1 y un interruptor de seguridad conectado a la toma P5. El microcontrolador se puede programar en el sistema mediante el conector P6. La pantalla se controla directamente desde el puerto PB del microcontrolador. Los botones están conectados a los cables PD0… PD2, el interruptor de seguridad a PD3 y la llave de transistor que conecta los diodos UV a PD4.

El software del microcontrolador se puede escribir con cualquier lenguaje para microcontroladores AVR, por ejemplo, utilizando AVR Studio y el compilador GCC AVR. Sin embargo, también podría ser el popular Bascom AVR u otro. El algoritmo de funcionamiento del programa podría ser el siguiente:

  • Después de encender la alimentación, los LED UV se apagan y la pantalla muestra "0" o un guion horizontal.
  • El usuario establece la velocidad del obturador usando los botones "más"/"menos". Solo hay una pantalla a su disposición, por lo que el tiempo de exposición debe establecerse con un cierto intervalo, por ejemplo, cada 15 minutos. Por lo tanto, "1" podría ser de 15 minutos, "2" sería de 30 minutos y así sucesivamente. También podría usar letras, aunque un tiempo de "9" de 405 minutos parece muy largo. Sin embargo, "a" podría ser 420 minutos, etc.
  • Presione "iniciar" para iniciar la desinfección. Durante la desinfección, el número que se muestra en la pantalla cambia cada 15 minutos. El final de la desinfección se indica con "0" en la pantalla y, obviamente, apagando el LED UV.
  • El software comprueba si la tapa está cerrada antes de encender y durante el funcionamiento. De lo contrario, apaga inmediatamente la alimentación del LED UV. Cerrar la cubierta indica un cortocircuito del cable PD3 a tierra. Si la tapa del dispositivo se abrió durante la desinfección, la iluminación continúa después de cerrarla.

Dibujo 3. Una propuesta de solución para un controlador de cámara de desinfección

Para finalizar

El artículo presenta el concepto de construir una cámara de desinfección de teléfonos inteligentes. Las soluciones anteriores deben tratarse como una idea y no como un diseño listo para usar de un dispositivo para la autoconstrucción. Al hacer una cámara de este tipo, se puede modificar libremente para satisfacer sus necesidades. La carcasa de la cámara no tiene por qué fabricarse necesariamente con una impresora 3D; aquí puede utilizar una carcasa prefabricada o, por ejemplo, puede estar hecha de madera. Sin embargo, enfaticemos que debe ser un material resistente a los rayos UV. Es similar con un interruptor basado en un microcontrolador. En lugar de construirlo usted mismo sobre la base de un microcontrolador, puede usar un temporizador listo para usar, aunque escribir el programa usted mismo de acuerdo con las pautas dadas en el artículo puede brindar una gran satisfacción. Por supuesto, en lugar de la pantalla LED, puede usar el módulo de pantalla LCD, que puede presentar mucha más información, y en lugar de botones, puede usar un codificador con un botón, que incluirá toda la funcionalidad de los manipuladores de la interfaz de usuario.

Se debe utilizar una fuente de corriente para alimentar el LED UV. Independientemente del voltaje de umbral de las uniones de diodos, y cambiará debido al calentamiento de la estructura del semiconductor, mantendrá una corriente de suministro constante. Esto tiene un gran impacto en la durabilidad de los LED, que son mucho más caros que los LED estándar.

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