Diody LED do sterylizacji za pomocą światła UV-C

334

W miarę rozprzestrzeniania się na całym świecie pandemii koronawirusa coraz częściej zastanawiamy się, jak zapewnić sobie i innym bezpieczeństwo w domu, pracy lub innym miejscu spotkań. Dezynfekowanie i sterylizacja za pomocą płynów na bazie alkoholu wszystkich pomieszczeń, w których przebywamy i przedmiotów, których używamy jest możliwe, ale w praktyce niewykonalne. Nie sposób bowiem dotrzeć do każdego miejsca lub po prostu nie wszystkie powierzchnie i materiały będą nadawały się do zwilżenia. Czy osiągnięcia nowoczesnej techniki mogą jakoś pomóc w podwyższeniu poziomu bezpieczeństwa w naszym otoczeniu?

Zgodnie z informacjami opublikowanymi przez organizacje CDC i WHO, jednym z możliwych sposobów zarażenia się koronawirusem jest dotykanie zakażonych przedmiotów, a następnie dotknięcie zakażoną w ten sposób ręką twarzy (nosa, oczu lub ust). Najlepszym, co możemy zrobić, aby zapobiec przedostawaniu się wirusa do naszego organizmu jest praktykowanie dystansu społecznego, częste mycie rąk, a także dezynfekcja przedmiotów codziennego użytku. Dotyczy to zwłaszcza tych, których często używamy poza domem lub zbliżamy do twarzy, takich jak dla przykładu smartfony.

Na szczęście, uciążliwe i niewygodne przemywanie płynem do dezynfekcji nie jest jedynym sposobem zachowania higieny. W odkażaniu przedmiotów codziennego użytku mogą nam pomóc źródła promieniowania UV takie jak lampy ultrafioletowe do sterylizacji, od wielu lat używane w szpitalach, przychodniach i innych placówkach medycznych.

Zastosowanie ultrafioletu do dezynfekcji i sterylizacji

Światło UV jest bardzo skutecznym środkiem eliminującym różne patogeny. Jak wspomniano, placówki medyczne oraz laboratoria już od wielu lat stosują lampy ultrafioletowe do sterylizacji narzędzi oraz odkażania pomieszczeń szpitalnych. Mniejsze wersje takich lamp stają się coraz bardziej popularne w małych firmach, a nawet w naszych domach zapewniając narzędzie pomagające chronić przedmioty codziennego użytku przed wirusami i bakteriami.

Rozróżniamy trzy podstawowe typy światła UV: UV-A (długość fali: 315…380 nm), UV-B (280…315 nm) oraz UV-C (100…280 nm). Światło ultrafioletowe typu UV-C ma najkrótszą długość fali i niesie ze sobą największą ilość energii. Dzięki temu może ono z powodzeniem być używane bakteriobójczo i wirusobójczo.

Dzięki badaniom wiadomo, że światło ultrafioletowe jest w stanie wyeliminować 99,9% wszystkich patogenów. Dezynfekcja i sterylizacja za pomocą lamp UV jest skutecznym sposobem sterylizacji narzędzi czy przedmiotów codziennego użytku, bez konieczności użycia toksycznych chemikaliów.

Czy lampa ultrafioletowa zniszczy wirusa COVID-19?

Uważa się, że koronawirus przenosi się głównie między osobami drogą kropelkową, gdy zarażona osoba kaszle lub kicha. COVID-19 można również zarazić się dotykając najpierw przedmiotu, na którym znajduje się wirus, a następnie ust, nosa lub oczu, chociaż naukowcy uważają, że nie jest to główny sposób szerzenia się wirusa.

Chociaż światło lamp UV zostało przetestowane w warunkach laboratoryjnych i klinicznych oraz udowodniono, że jest skuteczne w eliminowaniu różnych patogenów, to wirus wywołujący COVID-19 jest całkowicie nową chorobą. Mimo iż eksperci twierdzą, że nie ma bezsprzecznych, rozstrzygających wyników testów wskazujących, że światło UV może zabić koronawirusa, powinno ono być w stanie to zrobić, podobnie jak w wypadku innych mikroorganizmów, np. wirusa grypy. Jest więc wielce prawdopodobne, że światło UV może okazać się bardzo skutecznym środkiem pomagającym w powstrzymaniu pandemii koronawirusa i utrzymaniu higieny w naszym otoczeniu.

Zastosowanie ultrafioletu – jakie przedmioty można odkażać za pomocą światła UV?

Światło lamp ultrafioletowych może zabić 99,99% wirusów na powierzchniach takich materiałów, jak szkło, metal, drewno oraz tworzywa sztuczne, które mają domieszkę inhibitora UV. Większość wysokiej jakości tworzyw sztucznych zawiera je, aby chronić wykonane z nich przedmioty przed światłem słonecznym podczas użytkowania na zewnątrz. Istnieją jednak tanie tworzywa sztuczne, które nie mają inhibitorów UV. Zrobione z nich elementy mogą się odbarwić pod wpływem ciągłego działania światła UV i/lub stać się kruche i łamliwe.

Dezynfekcji i sterylizacji za pomocą światła UV

Światło UV jest skutecznym środkiem do walki z różnymi rodzajami drobnoustrojów. Za jego pomocą można nie tylko zabić wirusy i bakterie, ale również zarodniki grzybów. Istotne jest jednak to, aby zrozumieć, w jaki sposób należy użyć tego rodzaju promieniowania, aby skutecznie przeprowadzić dezynfekcję.

W handlu jest dostępnych wiele sterylizatorów wykorzystujących światło UV. Są one szeroko stosowane w placówkach medycznych, gabinetach zabiegowych, zakładach kosmetycznych oraz innych placówkach tego typu. Najczęściej są to świetlówki UV przeznaczone do dezynfekcji pomieszczeń, zamocowane na stojaku, które można przenosić i ustawiać w żądanym miejscu. Inna forma wykonania to stosunkowo duże pudła lub komory przypominające wyglądem kuchenki mikrofalowe, których można używać do sterylizacji przedmiotów takich jak nożyczki, pęsety oraz inne, mieszczące się wewnątrz.

Ilość promieniowania docierającego do powierzchni określa się w dżulach na metr kwadratowy (J/m2). Jak pamiętamy z lekcji fizyki, jeden dżul to ilość pracy wykonana przez moc 1 W w czasie 1 sekundy, a więc 1 J=1 W×1 s. Jak łatwo domyślić się patrząc na wzór, przy stałej mocy promieniowania czynnikiem decydującym o ilości energii docierającej do powierzchni przedmiotu, a tym samym o jego sterylizacji będzie czas – im będzie dłuższy czas ekspozycji na światło UV, tym więcej drobnoustrojów zginie.

Do dezynfekcji i sterylizacji używa się światła ultrafioletowego o długość fali z zakresu od 270 do 290 nm, chociaż sam zakres UV rozciąga się od 100 do 400 nm. Odporność mikroorganizmów na promieniowanie UV jest różna. W świetle UV najszybciej giną bakterie, a znacznie wolniej ich przetrwalniki, wirusy i zarodniki grzybów. Dla zabicia większości znanych nam bakterii, wirusów oraz ich przetrwalników wystarczy dostarczenie 8 mJ/cm2. Największą odpornością na promieniowanie UV wykazują się zarodniki grzybów, jednak dobra wiadomość jest taka, że grzyby chorobotwórcze mają mniejszą odporność na promieniowanie UV niż przetrwalniki bakterii.

Dawka napromieniowania jest obliczana jako iloczyn intensywności napromieniowania i czasu naświetlania. Wymagany czas napromieniania można obliczyć na podstawie intensywności źródła światła ultrafioletowego. Na przykład, jeśli używa się urządzenia dezynfekującego UV o intensywności napromieniowania 70 µW/cm2 do oświetlenia powierzchni obiektu z małej odległości, dawkę promieniowania odpowiadającą 100 µJ/cm2 można obliczyć ze wzoru:

Należy przy tym pamiętać, że sterylizatory UV mogą być szkodliwe dla zdrowia i negatywnie wpływać na wzrok lub skórę. Dlatego źródło światła UV powinno być osłonięte i wyłączane, jeśli pokrywa komory dezynfekcyjnej zostanie otwarta. Jeśli źródło światła UV jest umieszczone tylko po jednej stronie przedmiotu, to po upływie określonego czasu powinno się go obrócić, tak aby dezynfekcji uległa również druga strona. Jeśli używa się źródła światła UV w pomieszczeniu, to najlepiej włączyć je wtedy, gdy pomieszczenie jest puste. Można również włączyć światło UV, gdy ktoś w nim przebywa, ale na czas nie dłuższy niż 30 minut przy jednoczesnym użyciu środków ochrony osobistej (osłonić skórę, używać okularów z blokadą UV). Do dezynfekcji wody i innych płynów można zastosować źródło wewnętrzne (umieszczone w objętości płynu) lub zewnętrzne. W przypadku stosowania źródła wewnętrznego, źródło światła UV powinno być wyposażone w osłonę ze szkła kwarcowego. Niezależnie od przyjętej metody, grubość warstwy wody powinna być mniejsza niż 2 cm.

Nie ma opublikowanych oficjalnych badań potwierdzających dawkę energii, jaka jest potrzebna, aby zneutralizować wirusa wywołującego chorobę COVID-19. Porównuje się jednak jego budowę do wirusa „Hepatiti A Virus”, bardziej odpornego na promienie UV-C, dla którego uśmiercenia dawka wynosi niecałe 7 mJ/cm2. Na tej podstawie szacuje się, że dawka potrzebna do neutralizacji koronawirusa wywołującego chorobę COVID-19 wynosi około 4 mJ/cm2. Oznacza to, że lampa ultrafioletowa emitującą 1 W/cm2 promieniowania UV-C w odległości 1 m od powierzchni, potrzebuje 400 sekund, czyli około 7 minut aby ją zdezynfekować w 90%.

Komora do dezynfekcji smartfonów

Już jakiś czas temu opracowano diody świecące, emitujące promieniowanie UV, jednak początkowo przydały się one głównie do pobudzania luminoforu emitującego światło o barwie białej. Współcześnie wielu producentów wytarza LEDy emitujące światło UV o różnej intensywności, nadające się do różnorodnych zastosowań. W ostatnich latach dzięki rozwojowi technologii półprzewodnikowej znacznie wzrosła moc świetlna takich źródeł, co rozszerzyło spektrum ich zastosowań.

Diody UV umożliwiają tworzenie nowych aplikacji, w których typowe źródła światła UV (np. lampa rtęciowa) nie sprawdzą się. Na przykład, niewielki LED UVC można zamontować wewnątrz zbiornika ekspresu do kawy, co przy niemal nieograniczonym czasie ekspozycji na promieniowanie pozwala na zahamowanie rozwoju drobnoustrojów w wodzie. W tym zastosowaniu bardzo korzystne jest zasilanie LED niewielkim napięciem, co eliminuje niebezpieczeństwo porażenia. Jest to szczególnie ważne, ponieważ źródło światła będzie pracowało w warunkach podwyższonej wilgotności. Dodatkowo, żywotność LED eliminuje potrzebę kosztownego serwisu.

Te same właściwości LED UV są cenne w kompaktowych oczyszczaczach powietrza lub dezodoryzatorach. W tych urządzeniach światło UV-A napromieniowuje katalizator pokryty dwutlenkiem tytanu, aby wytworzyć wolne rodniki, które rozkładają duże cząsteczki organiczne. Takie oczyszczacze mogą być montowane w lodówkach i systemach klimatyzacyjnych, aby usuwać nieprzyjemne zapachy. W połączeniu z bakteriobójczym światłem UV-C, oczyszczacz utrzymuje system klimatyzacji świeży i wolny od patogenów unoszących się w powietrzu. Jednocześnie zmniejsza częstotliwość czyszczenia i wymiany filtrów.

Jednym z liderów wśród producentów LED jest firma Liteon i to właśnie z użyciem jej produktów zdecydowano się wykonać komorę do dezynfekcji. Do jej budowy wybrano diody typu LTPL-G35UVC275GZ. Jest to dioda o mocy maksymalnej 3W, w obudowie ceramicznej. Kąt rozwarcia wiązki, który możemy wykorzystać w budowanej komorze wynosi 120°. Duża moc LED jest gwarancją szybkiej i skutecznej dezynfekcji. Prąd zasilania LED jest stosunkowo duży, ponieważ wynosi 0,35A, a napięcie znamionowe to typowo 6,2V. W warunkach naszej aplikacji moc prądu zasilającego diodę wyniesie więc 2,17W.

Kompromis pomiędzy kątem rozwarcia wiązki a wymiarami zewnętrznymi projektowanej komory determinuje odległość pomiędzy LED UV a dezynfekowanym obiektem. Załóżmy, że maksymalne wymiary smartfonu umieszczonego w komorze będą wynosiły (160×80×12)mm. Na rysunku 1. pokazano szkic projektowanej komory. Założenia do budowy komory możemy wykonać za pomocą obiektów graficznych – wystarczy naszkicować LED UV, oświetlany obiekt i odpowiednio rozmieścić te komponenty. Komora oraz obiekt nie będą duże, więc najlepiej zrobić to w skali 1:1. Następnie za pomocą programu lub linijki wystarczy zwymiarować rysunek i gotowe.

Rysunek 1. Szkic komory do dezynfekcji smartfonów umożliwiający określenie rozmieszczenia diod względem dezynfekowanego obiektu (np. smartfonu)

Czego można dowiedzieć się ze szkicu? Diody UV warto zamontować tak blisko, jak to możliwe. Ta odległość musi być pewnym kompromisem, ponieważ trzeba pamiętać, że LEDy mają dosyć dużą moc i na pewno będą rozgrzewały się w czasie pracy. Dlatego zdecydowano się na użycie 4 sztuk LED UV, dwie na górze i dwie na dole. Jeśli odległość między diodami wyniesie około 80 mm, to najmniejszy dystans pomiędzy nimi a obiektem (tak, aby wiązka UV objęła cały smartfon) wyniesie 25 mm. Najmniejszy, ponieważ bezpośrednio wpływa on na wymiary komory, a raczej naszym zamiarem będzie, aby komora dezynfekcyjna była ergonomiczna i jak najmniejsza. Pamiętajmy jednak też o tym, że diody mają stosunkowo dużą moc, więc trzeba będzie zadbać o przepływ powietrza chłodzącego. W razie potrzeby można go wymusić za pomocą wentylatora.

Spróbujmy zebrać w jakieś założenia projektowe wymiary podane na rysunku 1. Aby obiekt zmieścił się do komory i możliwe było również oświetlenie jego krawędzi należy zapewnić pewna przestrzeń pomiędzy obudową komory a obiektem. Załóżmy, że będzie to 4 mm. Jeśli szerokość smartfonu wynosi(160×80×12)mm, a dystans od obiektu do diody UV 25 mm, to wewnętrzne wymiary komory wyniosą (168×88×62)mm.

Przykładowy projekt komory pokazano na rysunku 2. Trzeba jeszcze na nim uwzględnić miejsce dla włącznika bezpieczeństwa (wyłączającego światło UV po otwarciu obudowy), otwory mocujące dla płytek z LED UV, otwory dla przewodów i złączy, mocowanie dla płytki elektroniki z uwzględnieniem przycisków, okienko dla wyświetlacza lub innego sygnalizatora czasu ustawionego czasu załączenia, zawiasów pokrywy itp. Tak jednak mógłby wyglądać projekt obudowy komory do dezynfekcji smartfonów przeznaczony np. do wykonania na drukarce 3D. Jak można zauważyć, dolna część komory ma zaprojektowane 4 wsporniki, na których można oprzeć smartfon. Oczywiście można je też wykonać w inny sposób i przeprojektować pod kątem najczęściej dezynfekowanych obiektów.

Rysunek 2. Projekt obudowy w trakcie realizacji

Na rysunku 3. pokazano propozycję rozwiązania sterownika. Jego sercem jest niedrogi mikrokontroler AVR typu ATtiny2313. Duża precyzja odmierzania czasu nie jest wymagana, więc pracuje on przy taktowaniu za pomocą wbudowanego generatora RC. Do wyprowadzenia PD4 skonfigurowanego jako wyjście dołączono nieskomplikowany klucz tranzystorowy załączający diody UV. Diody na schemacie mają swoje złącza P1…P4, które nie są obligatoryjne i na płytce mogą być wykonane w postaci punktów lutowniczych. Co prawda, ich użycie ułatwi montaż, demontaż oraz uruchomienie komory, ale nie ma obowiązku zastosowania złączy.

Diody UV są zasilane ze źródła prądowego wykonanego w oparciu o popularny, dobrze znany układ LM317, pracujący w konfiguracji stabilizatora prądu. Takie rozwiązanie jest z wielu względów znacznie lepsze niż użycie rezystora. Po pierwsze, chroni diody w zmiennych warunkach temperatury pracy, a po drugie umożliwia zasilanie komory szerokim zakresem napięcia.

W tej konfiguracji prąd wyjściowy LM317 określa równanie:

Diody UV pracują przy połączeniu szeregowo – równoległym. Ich napięcie znamionowe to około 6,2V. Uwzględniając napięcie potrzebne dla poprawnego działania LM317 i klucza tranzystorowego, do złącza zasilającego G1 należy dołączyć źródło 15V o obciążalności rzędu 1A lub większej. Możliwe jest podanie wyższego napięcia, jednak należy zachować ostrożność, ponieważ jego nadmiar zostanie wytracony w postaci ciepła, które trzeba będzie w jakiś sposób odprowadzić.

Mikrokontroler jest zasilany napięciem 5V uzyskanym ze stabilizatora U2 typu 78L05. Interfejs użytkownika tworzą: przyciski S1…S3, wyświetlacz 7-segmentowy SEG1 oraz włącznik bezpieczeństwa doprowadzony do gniazda P5. Mikrokontroler może być programowany w układzie za pomocą złącza P6. Wyświetlacz jest sterowany bezpośrednio z portu PB mikrokontrolera. Przyciski są dołączone do wyprowadzeń PD0…PD2, wyłącznik bezpieczeństwa do PD3, natomiast klucz tranzystorowy załączający diody UV do PD4.

Oprogramowanie mikrokontrolera można napisać za pomocą dowolnego języka dla mikrokontrolerów AVR, na przykład posługując się AVR Studio i kompilatorem AVR GCC. Jednak równie dobrze może to być popularny niegdyś Bascom AVR lub inny. Algorytm działania programu mógłby być następujący:

  • Po załączeniu zasilania LED UV są wyłączone, a na wyświetlaczu jest pokazywane „0” lub pozioma kreska.
  • Użytkownik ustawia czas naświetlania za pomocą przycisków „plus” / „minus”. Do jego dyspozycji jest tylko jeden wyświetlacz, więc czas naświetlania należałoby ustawiać z pewnym interwałem, na przykład co 15 minut. I tak „1” mogłaby oznaczać 15 minut, „2” – 30 minut itd. Można by też było użyć liter, chociaż czas „9” wynoszący 405 minut wydaje się bardzo długi. Niemniej, „a” mogłoby oznaczać 420 minut itd.
  • Naciskamy „start”, aby rozpocząć dezynfekcję. W trakcie dezynfekcji liczba pokazywana na wyświetlaczu zmienia się co 15 minut. Koniec dezynfekcji jest sygnalizowany „0” na wyświetlaczu oraz – co oczywiste – wyłączeniem LED UV.
  • Oprogramowanie przed włączeniem zasilania oraz w trakcie pracy sprawdza, czy pokrywa jest zamknięta. Jeśli nie, to natychmiast wyłącza zasilanie LED UV. Zamknięcie pokrywy sygnalizuje zwarcie wyprowadzenia PD3 do masy. Jeśli pokrywa urządzenia zastała otwarta w trakcie dezynfekcji, to po jej zamknięciu naświetlanie jest kontynuowane.

Rysunek 3. Propozycja rozwiązania sterownika komory do dezynfekcji

Na koniec

W artykule zaprezentowano koncepcję budowy komory do dezynfekcji smartfonów. Podane wyżej rozwiązania należy traktować jako pomysł, a nie jako gotowy projekt urządzenia do samodzielnej budowy. Wykonując taką komorę można ją dowolnie zmodyfikować, dopasowując do własnych potrzeb. Obudowę komory niekoniecznie trzeba wykonywać za pomocą drukarki 3D – można tu użyć albo jakiejś gotowej obudowy, albo wykonać ją np. z drewna. Podkreślmy jednak, że powinien to być materiał odporny na działanie promieni UV. Podobnie jest z wyłącznikiem bazującym na mikrokontrolerze. Zamiast budować go samodzielnie na bazie mikrokontrolera, można użyć gotowego przekaźnika czasowego, chociaż samodzielne napisanie programu zgodnie z podanymi w artykule wskazówkami, może dać bardzo dużo satysfakcji. Oczywiście, zamiast wyświetlacza LED można użyć modułu wyświetlacza LCD, na którym da się prezentować znacznie więcej informacji, a zamiast przycisków można zastosować enkoder z przyciskiem, który skupi w sobie całą funkcjonalność manipulatorów interfejsu użytkownika.

Do zasilania LED UV należy zastosować źródło prądowe. Bez względu na napięcie progowe złączy diod, a będzie się ono zmieniało na skutek rozgrzewania się struktury półprzewodnikowej, będzie ono utrzymywało stały prąd zasilający. Ma to ogromny wpływ na trwałość diod, które mają znacznie wyższą cenę od standardowych LEDów.

Więcej informacji: www.tme.eu
email:  tme@tme.pl
Tel. 42 645 54 54

Transfer Multisort Elektronik Sp. z o. o.
ul. Ustronna 41
93-350 Łódź, Polska