Ratgeber
UV-LEDs » Was Sie wissen müssen
LEDs als Leuchtmittel haben längst in vielen Bereichen Glüh- und Halogenlampen verdrängt. Schließlich verbrauchen sie bei vergleichbarer Lichtleistung erheblich weniger Energie und besitzen zudem eine deutlich längere Lebensdauer.
Auch in den Grenzbereichen zum sichtbaren Licht sind mehr und mehr LEDs zu finden, und zwar sowohl im infraroten als auch im ultravioletten Spektrum. In unserem Ratgeber informieren wir Sie über UV-LEDs, über ihren Aufbau, ihre Funktionsweise und ihre Einsatzbereiche.
Bei der Suche nach der richtigen UV-LED steht natürlich die Anwendung – und damit die gewünschte Wellenlänge – an erster Stelle. Ultraviolette Strahlung ist der Wellenlängenbereich zwischen dem sichtbaren Spektrum und der Röntgenstrahlung.
Es handelt sich dabei um die energiereichen, kurzwelligen Strahlen in einer Wellenlänge von etwa 400 bis 100 Nanometer. Ein Nanometer entspricht 0,000001 Millimeter und wird mit nm abgekürzt.
So wie das sichtbare Lichtspektrum in verschiedene Farben unterteilt werden kann, wird auch die unsichtbare UV-Strahlung traditionell in verschiedene Wellenlängenbereiche unterteilt.
Es hat sich gezeigt, dass diese Kategorisierung auch auf die industrielle und kommerzielle Nutzung von UV-Licht angewendet werden kann.
UV-A
UV-A beschreibt den Wellenlängenbereich zwischen dem Ende des sichtbaren Lichts bei etwa 400 nm und 320 nm. Dieses so genannte schwarze Licht wird hauptsächlich zur Anregung von Fluoreszenz verwendet.
Es dient beispielsweise dazu, fluoreszierende Markierungen auf Banknoten, Ausweiskarten und Dokumente sichtbar zu machen und sie so vor Fälschungen zu schützen.
UV-Strahlung zwischen 390 nm und 350 nm dient in der Industrie zum Aushärten von Klebstoffen, Beschichtungen, Tinte und zahlreichen anderen Materialien.
Aufgrund ihrer hohen Effizienz, der niedrigen Betriebskosten und der kompakten Bauweise ersetzen UV-Leuchtdioden zunehmend andere Technologien, wie zum Beispiel Quecksilberdampflampen.
UV-B
UV-B ist die Bezeichnung für Wellenlängen zwischen 320 nm und 280 nm.
Die vielseitigen Leuchtdioden zwischen 340 nm und 300 nm sind die neueste Markteinführung im UV-A/B-Wellenlängensegment.
Sie bieten ein großes Potenzial für zahlreiche verschiedene Anwendungen, wie UV-Härtung, DNA-Analyse, Dermatologie und Sensortechnik.
UV-C
UV-C beginnt bei 280 nm und endet bei 200 nm. Da UV-C-Licht vollständig von der Atmosphäre absorbiert wird, hat keines der Lebewesen auf der Erde eine natürliche Abwehr gegen diese hochenergetische Strahlung entwickelt. Das gilt sowohl für den Menschen als auch für Bakterien und Viren.
Die Strahlung wird von den DNA- und RNA-Strängen der Organismen absorbiert und sorgt dafür, dass die Nukleotidsequenzen verklumpen.
Dadurch wird die genetische Information einer Zelle zerstört, sodass sie sich nicht mehr fortpflanzen kann oder sogar getötet wird.
UVC-LEDs eignen sich somit sehr gut zur Desinfektion von Wasser und von für UV-Licht unempfindlichen Oberflächen.
UV-LED-Lampen funktionieren prinzipiell wie LEDs für sichtbares Licht. Eine Leuchtdiode ist zunächst ein Halbleiterbauelement, das Licht aussendet, wenn es von Strom durchflossen wird. Während sehr reine, defektfreie Halbleiter Elektrizität im Allgemeinen sehr schlecht leiten, können Dotierstoffe der Elektrizität Wege bahnen, indem sie den Halbleiter entweder mit negativ geladenen Elektronen – dem n-Typ – oder mit positiv geladenen Löchern – dem p-Typ – ausstatten.
Eine LED besteht aus einem p-n-Übergang, bei dem ein p-Typ-Halbleiter auf einen n-Typ-Halbleiter aufgebracht wird. Bei einer angelegten Spannung wandern Elektronen vom n-Typ-Bereich – dem Leitungsband – in den p-Typ-Bereich und Löcher vom p-Typ-Material – dem Valenzband – in die entgegengesetzte Richtung in das n-Typ-Material.
Der Energieunterschied zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband wird als Bandlückenenergie bezeichnet. Am Übergang zwischen dem p-Typ- und dem n-Typ-Material rekombinieren die Elektronen und Löcher. Jedes Rekombinationsereignis erzeugt dabei ein einzelnes Photon mit einer Energie und Wellenlänge, die durch die Bandlücke des im aktiven Bereich des Bauelements verwendeten Materials bestimmt wird.
Mobiler Einsatz
UV-LEDs ersetzen in erster Linie die seit Jahrzehnten als UV-Strahlenquelle verwendeten Quecksilberdampflampen. Während Quecksilberdampflampen hohe Spannungen benötigen und Wärme erzeugen, lassen sich LEDs mit niedrigen Gleichspannungen und -strömen betreiben. Dies macht auch einen mobilen Einsatz möglich.
Wellenlänge
Nicht zu vergessen: Wellenlänge, Strahlungsintensität und Strahlform lassen sich während der Produktion vergleichsweise einfach anpassen. Während Quecksilberdampflampen nur bestimmte Wellenlängen emittieren, gibt es LEDs für ein breites Spektrum an Wellenlängen.
Aufwärmzeit
Da die LEDs nur eine sehr geringe Wärmestrahlung in Richtung des Strahls abgeben, sind sie auch für die Bearbeitung wärmeempfindlicher Materialien geeignet. Zudem benötigen sie im Gegensatz zu Quecksilberdampflampen keine Aufwärmzeit und sind sofort voll einsatzbereit. Dadurch ist es auch möglich, die Strahler gepulst zu betreiben, mit Pulsen im Millisekunden- und Nanosekundenbereich.
UV-LEDs sind klein, kompakt und können in fast jede Anwendung integriert werden. Im Gegensatz zu Quecksilberdampflampen sind sie nicht zerbrechlich und enthalten keine giftigen Substanzen.
Im Handel erhältlich sind vor allem vier Bauformen: im üblichen radial bedrahteten Kunststoffgehäuse mit 5 mm Durchmesser, als oberflächenmontierbare Bauform für die SMD-Montage, im wärmeableitenden keramischen Gehäuse sowie zu mehreren montiert auf einer Starplatine.
UV-LED in 5 mm LED-Gehäuse
UV-LEDs zur SMD-Montage
UV-LED im Keramik-Gehäuse
UV-LEDs auf einer Starplatine
Worauf ist bei der Montage und der Anwendung von UV-LED-Lampen zu achten?
Zunächst einmal handelt es sich bei UV-LED-Lampen um Halbleiter, die sehr empfindlich auf zu hohe Ströme, Spannungen und Temperaturen reagieren. Die spezifischen Werte für Durchlassstrom und Durchlassspannung sind deshalb unbedingt zu beachten. In der Regel sind auch Vorwiderstände und Konstantstromquellen nötig. Wichtig ist auch ein passendes Wärmemanagement. Zu hohe Temperaturen können die empfindlichen LEDs beschädigen oder sogar zerstören.
Bei der Montage ist zudem ein ESD-Arbeitsplatz zu empfehlen, bei dem statische Aufladungen sicher zu Erde abgeleitet werden. Zum Eigenschutz ist grundsätzlich eine UV-Schutzbrille zu tragen, da das unsichtbare UV-Licht bei direktem Blick in die Strahlungsquelle die Netzhau des menschlichen Auges schädigen kann.