基于脉冲交流电驱动的紫外线杀菌装置的制作方法

1.本实用新型涉及发光二极管，具体涉及一种基于脉冲交流电驱动的紫外线杀菌装置。


背景技术：

2.红光灯被开发并商用化后，蓝光灯的开发虽然在持续地进行，但一直没能制作出有效 p-type gan的技术性难题。直到1998年中村修二找到有效活性化pgan层mg的方法，同时打开了blue led的技术时代。gist新材料工学的sung-ju park教授团队把纳米大小的银(ag)用作表面等离子物质，以纳米粒子的形态插在led内部活性层的近处，该技术于 2008年实现了世界首个光效率提高了30％以上的利用表面等离子体的氮化镓led。之后于 2014年，lg innotek以下一代垂直型技术为基础，变更了led芯片的设计结构，使光效率提高了30％以上。另外，tae-geun kim高丽大学教授团队用玻璃透明电极、氮化硅(sinx) 替代一般用于led透明电极层的ito用作薄膜，与现有技术相比可提升9％的效率。蓝光灯内产生的光大部分由半导体表面反射，实际上不能很好地向外提取光，2018年首尔大学 euijoon yoon教授研究团队和庆熙大学sun kyung kim研究团队开发出可高效提取光的新蓝宝石衬底制造技术，解决了前述问题。uvc led在1200度的温度下可生长出高质量gan 薄膜，但是为了生长高质量ain薄膜，需要1600～1800度的高温新型气相外延生长技术 (mocvd)，2012年crystal is公司(crystal is,inc.)开发出光功率10兆瓦的uvc led 后，2013年one chip公司随即开发出世界首个光功率65兆瓦的uvc led(发光紫外线二极管，紫外线杀菌灯)。随后lg innotek于2017年开发出世界首个70mw功率的uvcled，之后成功开发出垂直方式的100mw级高功率紫外线led。
3.目前市面上的照明灯已经开始利用交流电压特性驱动，但一些国家使用的50hz频率会引起照明灯的闪光问题，这是人视觉上能够感知到的。虽然60hz是人眼不可能感知到的，但持续的闪光会损害人的眼睛，因此考虑到人体视觉安全性问题，用于照明的led主要采用直流电供应。但uvc led，尤其是用于杀菌的275nm波长领域，因uvc led光线本身对人体有害，不可直视或接触。如果通过直流驱动，照射时间会很长、光效率低、对人体危害较大、由于发热量增加会存在散热问题。


技术实现要素：

4.为了解决传统直流驱动方式造成的照射时间长、光效率低、发热量大、散热困难等技术问题，本实用新型提供了一种基于脉冲交流电驱动的紫外线杀菌装置，采取的技术原理是：通过直接给紫外线杀菌装置供应高频脉冲交流电源(high frequency pusled a/c)来解决上述问题。
5.本实用新型采取的技术方案是：一种基于脉冲交流电驱动的紫外线杀菌装置，包括：
6.脉冲电路，用于输出脉冲交流电，为整个装置提供电能；
7.与所述脉冲电路连接的调压电路，用于控制脉冲交流电的输出电压；
8.与所述调压电路连接的调频电路，用于控制脉冲交流电的输出频率；
9.与所述调频电路连接的发光紫外线二极管模组，用于通过发出紫外线杀菌。
10.优选地，所述发光紫外线二极管模组包括：至少两个发光紫外线二极管uvc led，其中一个正向连接，用于使用正向电压，一个反向连接，用于使用反向电压。
11.优选地，所述脉冲电路包括：交流输入电源vdc1、二极管df、电感l7、电容c1和电阻r4；
12.交流输入电源vdc1的正极分别与脉冲输出端v_l1的正极、电感l7的一端、二极管 df的负极连接，脉冲输出端v_l1的负极与电感l7的另一端连接后，再分别与电容c1的一端、电阻r4的一端连接，电容c1的另一端、电阻r4的另一端以及二极管df的正极分别与交流输入电源vdc1的正极连接。
13.优选地，所述调压电路包括：可调电阻r1、r2、r3、晶闸管k1、k2、k3；
14.脉冲输出端v_l1的正极与可调电阻r3的一端连接，可调电阻r3的另一端与电压输出端v-l2的正极连接，脉冲输出端v_l1的负极与可调电阻r1的一端连接，可调电阻r1 的另一端与电压输出端v-l2的负极连接，可调电阻r2的两端分别接地，晶闸管k1的正极分别与电压输出端v-l2的负极、晶闸管k3的正极连接，晶闸管k1的负极分别与电压输出端v-l2的正极、晶闸管k2的正极连接；晶闸管k2的负极与晶闸管k3的负极连接后接地。
15.优选地，所述调频电路包括：电感l1、l2、l3、晶闸管d1、d2、d3、d4、d5、d6、电感l4、l5、l6；
16.晶闸管d1的一端与发光紫外线二极管uvc led的正极连接，晶闸管d1的另一端与电感l4的一端连接；晶闸管d2的一端与电感l1的一端连接，晶闸管d2的另一端与电感l4的另一端连接，电感l1的另一端与电压输出端v-l2的正极连接；
17.晶闸管d3的一端与发光紫外线二极管uvc led的负极连接，晶闸管d3的另一端与电感l5的一端连接；晶闸管d4的一端与电感l2的一端连接，晶闸管d4的另一端与电感 l5的另一端连接，电感l2的另一端与电压输出端v-l2的负极连接；
18.晶闸管d5的一端与电感l3的一端连接，晶闸管d5的另一端与电感l6的一端连接；
19.晶闸管d6的一端与电感l3的一端连接，晶闸管d6的另一端与电感l6的另一端连接；
20.电感l3的另一端接地。
21.优选地，所述调压电路的电压控制范围为3-50v。
22.优选地，所述调频电路的频率控制范围为100-1000000hz。
23.本实用新型提供的技术方案所带来的有益效果是：
24.本实用新型直接利用脉冲交流电驱动发光紫外线二极管(uvc led)模组，利用led 的快速on/off反应速度这一最大优点，可以供应比使用恒定电流led更高的电流，因此 uvc led的光功率就会提升。尽管交流电特性上是高电流流动，但因持续性off模式， uvc led产生的热量会减少，因此可以获得高光功率，而且和恒定电流(d/c)驱动的uvcled模式相比，具有低发热量、高光效率的两个特点。
附图说明
25.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
26.图1是本实用新型一种基于脉冲交流电驱动的紫外线杀菌装置的整体结构图；
27.图2是本实用新型脉冲电路的电路结构图；
28.图3是本实用新型调压电路的电路结构图；
29.图4是本实用新型调频电路的电路结构图；
30.图5是本实用新型采用两个反向uvc led的装置结构图。
具体实施方式
31.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
32.如图1所示，本实施例提供了一种基于脉冲交流电驱动的紫外线杀菌装置，包括：脉冲电路，用于输出脉冲交流电，为整个装置提供电能；
33.与所述脉冲电路连接的调压电路，用于控制脉冲交流电的输出电压；
34.与所述调压电路连接的调频电路，用于控制脉冲交流电的输出频率；
35.与所述调频电路连接的发光紫外线二极管(uvc led)模组，用于通过发出紫外线杀菌。
36.需要说明的是，本实用新型并不是通过蓝光灯普遍使用的smps驱动uvc led，而是直接利用交流电(a/c)驱动发光紫外线二极管(uvc led)模组。蓝光灯的驱动方式是恒定电流驱动方式，通过给蓝光灯供应一定的电流，利用光和热发出方向相反的led特性，组成有效去除和光线发出方向相反的从uvc led芯片背面发出的热量的系统。关于uvcled的低光效率问题，如果通过设计模块控制uvc led芯片背面发出的热量，同时让供给电源也有助于散热，就可以更加有效控制uvc led产生的热量。
37.本实用新型为了解决这个问题直接给uvc led供应脉冲交流电。但因220v/110v的电压太高，为了下降到uvc led可以使用的电压，没有采用普通50/60hz的频率放大器，而是使用1000hz以上的频率。另外，如果利用led的快速on/off反应速度这一最大优点，可以供应比使用恒定电流led更高的电流，因此uvc led的光功率就会提升。尽管交流电特性上是高电流流动，但因持续性off模式，uvc led产生的热量会减少，这样的话，可以获得高光功率，而且和恒定电流(d/c)驱动的uvc led module相比，具有低发热量、高光效率的两个特征。
38.具体地，如图2所示，脉冲电路包括：交流输入电源vdc1、二极管df、电感l7、电容c1和电阻r4；
39.其连接关系如下：交流输入电源vdc1的正极分别与脉冲输出端v_l1的正极、电感 l7的一端、二极管df的负极连接，脉冲输出端v_l1的负极与电感l7的另一端连接后，再分别与电容c1的一端、电阻r4的一端连接，电容c1的另一端、电阻r4的另一端以及二极管df的正极分别与交流输入电源vdc1的正极连接。
40.外部输入的50hz的交流输入电源经过二极管df、电容c1、电感l7组成的滤波电路进行交流电电流整形，滤除浪涌和杂波，输出满足后续电路工作所需的稳定交流电(脉冲输出电)v_l1。
41.如图3所示，调压电路包括：可调电阻r1、r2、r3、晶闸管k1、k2、k3；
42.其连接关系如下：脉冲输出端v_l1的正极与可调电阻r3的一端连接，可调电阻r3 的另一端与电压输出端v-l2的正极连接，脉冲输出端v_l1的负极与可调电阻r1的一端连接，可调电阻r1的另一端与电压输出端v-l2的负极连接，可调电阻r2的两端分别接地，晶闸管k1的正极分别与电压输出端v-l2的负极、晶闸管k3的正极连接，晶闸管k1 的负极分别与电压输出端v-l2的正极、晶闸管k2的正极连接；晶闸管k2的负极与晶闸管k3的负极连接后接地。
43.经过脉宽调制后的脉冲输出端v_l1经过k1+r3、k3+r2、k2+r1的组合分别对三项交流电的每一项进行电压调节和降压，以满足发光紫外线二极管模组uvc led的供电电压需求。
44.作为可选地实施方式，所述调压电路的电压控制范围为3-50v。
45.如图4所示，调频电路包括：电感l1、l2、l3、晶闸管d1、d2、d3、d4、d5、d6、电感l4、l5、l6；
46.其连接关系如下：晶闸管d1的一端与发光紫外线二极管(uvc led)的正极连接，晶闸管d1的另一端与电感l4的一端连接；晶闸管d2的一端与电感l1的一端连接，晶闸管d2的另一端与电感l4的另一端连接，电感l1的另一端与电压输出端v-l2的正极连接；
47.晶闸管d3的一端与发光紫外线二极管(uvc led)的负极连接，晶闸管d3的另一端与电感l5的一端连接；晶闸管d4的一端与电感l2的一端连接，晶闸管d4的另一端与电感l5的另一端连接，电感l2的另一端与电压输出端v-l2的负极连接；
48.晶闸管d5的一端与电感l3的一端连接，晶闸管d5的另一端与电感l6的一端连接；
49.晶闸管d6的一端与电感l3的一端连接，晶闸管d6的另一端与电感l6的另一端连接；
50.电感l3的另一端接地。
51.通过l1+l4、l2+l5和l3+l6的组合，能保证三项交流电换相期间，发光紫外线二极管(uvc led)模组能获得持续的驱动电流，同时d1、d2、d3、d4的存在能保证发光紫外线二极管(uvc led)模组在工作期间不受反向电流的干扰导致芯片工作异常。
52.作为可选地实施方式，所述调频电路的频率控制范围为100-1000000hz。
53.需要说明的是，本实施例的上述具体数值以及范围并非固定的，可根据实际情况和需要进行调整。
54.为了验证本实用新型的有益效果，进行了以下对比实验：
55.通过交流脉冲电流波形驱动uvc led和使用一般恒定电流驱动uvc led的时间变量下的温度如表1所示，表1的实验方式通过制作uvc led module进行了对比。使用smps 供应恒定电流的一般方式和通过调压电路和调频电路来控制交流电是通过同样方式制作的，并对二者的特性进行了对比。
56.表1相同电压下两种驱动方式的光功率强度和温度对比
[0057][0058]
[0059]
如表1所示，如果用同样的电压驱动uvc led，交流脉冲驱动方式的sub mount温度的测定结果低，这意味着：具备同样时间内持续off功能的交流脉冲驱动方式和恒定电流驱动uvc led相比，因off时间的关系，发热量减少了。但是尽管因off功能关闭了uvcled，光功率强度的测定结果还是和恒流一样，所以确认没有因off功能导致的光量损失。
[0060]
为了让交流脉冲电流波形驱动下的uvc led和使用一般恒定电流驱动下的uvc led 发出的热量达到同样的温度，对电压进行了控制。如表2所示，如果发热量一样的话，交流脉冲电流波形驱动下的uvc led会上升30％的光量(光效率)。也就是说，如果有可以有效排放uvc led产生的热量的系统，和恒定电流驱动方式相比，交流脉冲电流波形驱动方式可以增加约30％的光量(optical power)。
[0061]
表2控制变量法下的两种驱动方式对比
[0062] 电压(v)光功率强度(a.u)工作温度(0c)恒定电流122125082交流脉冲122125071交流脉冲122762582
[0063]
表3记录了伴随电压增加的uvc led的光功率强度及温度变化，对于在一定的电压背景下可以只供应一定电流的恒定电流方式，可以确认：交流脉冲电流波形驱动uvc led 随着电压的上升，输出光功率也会随之上升。
[0064]
表3随电压增加的uvc led的光功率强度及温度变化
[0065]
电压(v)输出光功率(a.u)温度(0c)5.5v1500068.26.5v3600071.47.2v4800072.58v530007310v600007512v650007714v690008016v730008218v790008524v8500095
[0066]
目前已开展对过滤掉交流电反向电压的部分，只使用恒定电压部分的uvc led形式进行了实验，但是如图5所示，如果uvc led也适用于反向电压方向的话，就可以同时使用顺方向和逆方向电压，即通过利用1个调压电路和调频电路同时启动2个uvc led，可以进一步提高光量。
[0067]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0068]
上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干
装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
[0069]
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。