DIODI LED PER LA STERILIZZAZIONE CON RAGGI UV-C

Con il diffondersi della pandemia di coronavirus in tutto il mondo, valutiamo con una sempre maggiore frequenza il modo per assicurare a noi stessi e agli altri la sicurezza nella propria casa, sul lavoro o in altri luoghi di incontro. La disinfezione e la sterilizzazione di tutti i locali in cui ci troviamo e degli oggetti che usiamo con liquidi a base di alcol è possibile, ma in pratica impraticabile. Non vi è modo per raggiungere qualsiasi luogo, o semplicemente non tutte le superfici e materiali potranno essere bagnati. I risultati della tecnologia moderna possono in qualche modo contribuire ad aumentare il livello di sicurezza nell’ambiente che ci circonda? Conformemente alle informazioni pubblicate da organizzazioni quali CDC e OMS, un modo possibile per infettarsi con il coronavirus è il contatto con oggetti infetti e successivamente il contatto con la mano infetta del viso (naso, occhi o bocca). La cosa migliore che possiamo fare per evitare che il virus entri nel nostro corpo è praticare il distanziamento sociale, lavare frequentemente le mani, nonché disinfettare gli oggetti di uso quotidiano. Ciò è particolarmente importante per gli oggetti che spesso usiamo al di fuori di casa o a cui avviciniamo il volto, come ad es. gli smartphone. Fortunatamente il lavaggio con ingombrante e scomodi liquidi disinfettanti non è l’unico modo per mantenere l’igiene. Per la disinfezione degli oggetti di uso quotidiano possiamo affidarci alle sorgenti di radiazione UV come ad es. le lampade ultraviolette per sterilizzazione, che da anni vengono utilizzate in ospedali, ambulatori e in altre istituzioni mediche.

Utilizzo dei raggi ultravioletti per la disinfezione e la sterilizzazione

La luce UV è un mezzo molto efficace per eliminare differenti agenti patogeni. Come accennato, le istituzioni mediche e i laboratori da molti anni utilizzano le lampade ultraviolette per la sterilizzazione degli strumenti e la sanificazione dei locali ospedalieri. Le versioni più piccole di tali lampade stanno diventando sempre più popolari nelle piccole imprese e anche nelle nostre case, ed assicurano uno strumento per aiutare a proteggere gli oggetti di uso quotidiano da virus e batteri. Distinguiamo tra tre tipi di luce UV: UV-A (lunghezza d’onda: 315…380 nm), UV-B (280…315 nm) e UV-C (100…280 nm). La luce ultravioletta di tipo UV-C presenta la lunghezza d’onda più corta e trasporta la maggiore quantità di energia. Perciò può essere utilizzata con successo come battericida e virucida. Grazie alle ricerche, è noto che la luce ultravioletta è in grado di eliminare il 99,9% di tutti gli agenti patogeni. La disinfezione e la sterilizzazione con lampade UV è un metodo efficace per sterilizzare gli strumenti o gli oggetti di uso quotidiano, senza la necessità di utilizzare sostanze chimiche tossiche.

La lampada ultravioletta è in grado di distruggere il virus Covid-19?

Si ritiene che il coronavirus venga trasmesso principalmente tra le persone per via aerea, quando una persona infetta tossisce o starnutisce. Il COVID-19 può anche essere contratto toccando l’oggetto su cui si trova il virus e successivamente la bocca, il naso o gli occhi; anche se gli scienziati ritengono che questo non sia il principale veicolo di diffusione del virus. Anche se la luce della lampada UV è stata testata in condizioni cliniche e di laboratorio, ed è stata dimostrata l’efficacia nell’eliminazione di vari patogeni, il virus che causa il COVID-19 è una malattia completamente nuova. Anche se gli esperti dicono che non vi siano risultati conclusivi univoci che dimostrino che la luce UV può uccidere il coronavirus, questa dovrebbe essere in grado di farlo, come succede con altri microrganismi, come ad es. il virus influenzale. Pertanto è molto probabile che la luce UV possa rivelarsi un mezzo molto efficace per aiutare a fermare la pandemia di coronavirus e mantenere l’igiene nell’ambiente che ci circonda.

Utilizzo dei raggi ultravioletti: quali oggetti possono essere disinfettati con la luce UV?

La luce della lampada ultravioletta può uccidere il 99,99% dei virus su superfici di materiali quali vetro, metallo, legno e plastica che presentano un’aggiunta di un inibitore UV. La maggior parte delle materie plastiche di alta qualità contiene questi inibitori per proteggere gli oggetti realizzati con questi materiali dalla luce solare quando vengono utilizzati all’aperto. Tuttavia, vi sono plastiche a basso costo che non dispongono di inibitori UV. Gli elementi realizzati con questi ultimi possono scolorire a causa dell’azione costante della luce UV e/o diventare fragili e friabili.

Disinfezione e sterilizzazione mediante luce UV

La luce UV è un mezzo efficace per combattere vari tipi di microbi. Con il suo aiuto è possibile non solo uccidere virus e batteri, ma anche spore di funghi. Tuttavia, è importante capire come questo tipo di radiazioni debba essere utilizzato per assicurare una disinfezione efficace.

In commercio vi sono molti sterilizzatori a luce UV. Questi dispositivi vengono ampiamente utilizzati in istituzioni mediche, ambulatori di trattamento, centri cosmetici e altre strutture di questo tipo. Il più delle volte si tratta di lampade fluorescenti UV, progettate per la disinfezione dei locali, fissate su un supporto, che possono essere spostate e posizionate nel luogo desiderato. Un’altra forma di realizzazione è costituita da scatole o scomparti relativamente grandi, simili all’aspetto di forni a microonde, che possono essere utilizzati per sterilizzare strumenti come forbici, pinzette e altri oggetti che possono essere inseriti all’interno. La quantità di radiazioni che raggiungono la superficie è determinata in joule per metro quadrato (J/m²). Come ricordiamo dalle lezioni di fisica, uno joule è la quantità di lavoro svolto da 1 W di potenza in 1 secondo, ossia 1 J=1 W×1 s. Come si può facilmente intuire osservando il modello, con una potenza di radiazione costante, il fattore che determina la quantità di energia che raggiunge la superficie dell’oggetto, e pertanto l’efficacia della sua sterilizzazione, sarà il tempo; maggiore sarà il tempo di esposizione alla luce UV, più microbi moriranno. Per la disinfezione e la sterilizzazione, viene utilizzata luce ultravioletta con una lunghezza d’onda di 270-290 nm, anche se la gamma UV stessa varia da 100 a 400 nm. La resistenza dei microrganismi alle radiazioni UV varia. Sotto l’effetto della luce UV muoiono più velocemente i batteri, mentre endospore, virus e spore fungine muoiono molto più lentamente. Per l’uccisione della maggior parte dei batteri, virus e delle loro endospore sono sufficienti 8 mJ/cm². Le spore fungine sono le più resistenti alle radiazioni UV, tuttavia la buona notizia è che i funghi patogeni presentano una minore resistenza ai raggi UV rispetto alle endospore batteriche. La dose di radiazione viene calcolata come prodotto dell’intensità della radiazione e del tempo di esposizione. Il tempo di esposizione richiesto può essere calcolato in base all’intensità della sorgente di luce ultravioletta. Ad esempio, se si utilizza un dispositivo disinfettante a UV con un’intensità di radiazione di 70 µW/cm², per illuminare la superficie di un oggetto da una breve distanza, la dose di radiazione corrispondente a 100 µJ/cm² può essere calcolata in base alla formula:

Bisogna tenere a mente che gli sterilizzatori UV possono essere dannosi per la salute e possono avere effetti negativi sulla vista o sulla pelle. Pertanto, la sorgente luminosa UV deve essere riparata e spenta se il coperchio della camera di disinfezione è aperto. Se la sorgente luminosa UV è posizionata su un solo lato dell’oggetto, dopo un certo periodo di tempo l’oggetto deve essere ruotato, in modo che anche l’altro lato venga disinfettato. Se si utilizza una sorgente luminosa UV in una stanza, è meglio accenderla quando la stanza è vuota. Inoltre è possibile accendere la luce UV quando qualcuno è al suo interno, ma per un periodo di tempo non superiore a 30 minuti con l’utilizzo simultaneo di dispositivi di protezione individuale (copertura della pelle, utilizzo di occhiali con filtro anti UV). Per la disinfezione dell’acqua e di altri liquidi, è possibile utilizzare una sorgente interna (posta nel volume del liquido) o sorgenti esterne. Quando si utilizza una sorgente interna, la sorgente luminosa UV deve essere dotata di un coperchio in vetro al quarzo. Indipendentemente dal metodo adottato, lo spessore dello strato d’acqua dovrebbe essere inferiore a 2 cm. Non vi sono studi ufficiali pubblicati che confermino la quantità di energia necessaria per neutralizzare il virus che causa la malattia del COVID-19. Tuttavia, la sua struttura è simile al virus dell’ Epatite A, più resistente ai raggi UV-C, per il quale la dose letale è di appena 7 mJ/cm². Su questa base, si stima che la dose necessaria per neutralizzare il coronavirus che causa la malattia del COVID-19, sia di circa 4 mJ/cm². Ciò significa che una lampada ultravioletta che emette 1 W/cm² di radiazione UV-C ad una distanza di 1 m dalla superficie, necessita di 400 secondi, ossia circa 7 minuti per disinfettare questa superficie al 90%

 

Camera di disinfezione per Smartphone

Già qualche tempo fa sono stati sviluppati diodi luminosi che emettono radiazioni UV, tuttavia sono stati sviluppati principalmente per stimolare il luminoforo che emette luce di colore bianco. Oggigiorno, molti produttori producono diodi LED che emettono luce UV di diversa intensità, adatti ad una varietà di applicazioni. Negli ultimi anni grazie allo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori, la potenza luminosa di tali sorgenti è aumentata in modo significativo, ciò ha ampliato lo spettro delle loro applicazioni.

I diodi LED UV consentono la creazione di nuove applicazioni in cui le tipiche sorgenti luminose UV (ad es. le lampade al mercurio) non funzionano. Ad esempio, un piccolo LED UVC può essere installato all’interno del serbatoio della macchina del caffè, in questo modo con un tempo di esposizione quasi illimitato potremo inibire lo sviluppo di microbi nell’acqua. In questa applicazione è molto utile l’alimentazione del LED con bassa tensione per eliminare il rischio di scosse elettriche. Ciò è particolarmente importante poiché la sorgente luminosa funzionerà in condizioni di umidità maggiorata. Inoltre, la durevolezza dei LED elimina la necessità di costosi interventi di assistenza. Le stesse proprietà dei LED UV sono preziose all’interno di purificatori d’aria compatti o deodorizzatori. In questi dispositivi, la luce UV-A irradia un catalizzatore ricoperto di biossido di titanio per produrre radicali liberi che decompongono le grandi molecole organiche. Questi depuratori possono essere installati in frigoriferi e sistemi di condizionamento dell’aria per rimuovere eventuali odori sgradevoli. In combinazione con la luce battericida UV-C, il purificatore mantiene il sistema di condizionamento dell’aria fresco e privo di agenti patogeni trasportati dall’aria. Allo stesso tempo, consente di ridurre la frequenza di pulizia e sostituzione dei filtri.

Uno dei leader tra i produttori di LED è l’azienda Liteon e proprio con l’impiego dei suoi prodotti è stata costruita la camera disinfettante. Per la sua realizzazione sono stati scelti i diodi del tipo LTPL-G35UVC275GZ. Si tratta di un LED con una potenza massima di 3W, inserito in un alloggiamento ceramico. L’angolo del fascio, che può essere utilizzato nella camera costruita, è di 120°. L’elevata potenza dei LED garantisce una disinfezione rapida ed efficace. La corrente di alimentazione dei LED è relativamente grande poiché ammonta a 0,35A e la tensione nominale è in genere di 6,2V. Nelle condizioni della nostra applicazione, l’attuale potenza della corrente di alimentazione dei LED pertanto sarà di 2,17W.

Il compromesso tra l’angolo del fascio e le dimensioni esterne della camera progettata sono determinate in base alla distanza tra il LED UV e l’oggetto disinfettato. Diciamo che le dimensioni massime dello smartphone inserito nella camera saranno di 160×80×12 mm. Nella Figura 1. è stato presentato uno schizzo della camera progettata. Lo schizzo della camera può essere realizzato con l’aiuto della grafica vettoriale – è sufficiente disegnare un LED UV, l’oggetto illuminato e disporre correttamente questi componenti. La camera e l’oggetto non saranno grandi, pertanto è meglio realizzare lo schizzo in scala 1:1. Successivamente con l’aiuto di un software o di un righello, è sufficiente dimensionare il disegno ed ecco fatto.

 

 

Cosa posso comprendere dallo schizzo? I LED UV devono essere installati il più vicino possibile. Questa distanza deve essere un compromesso, poiché è necessario ricordare che i LED presentano una potenza elevata e sicuramente si riscalderanno durante il funzionamento. Pertanto, si è deciso di utilizzare 4 LED UV, due nella parte superiore e due nella parte inferiore. Se la distanza tra i LED è di circa 80 mm, la distanza minima tra questi ultimi e l’oggetto (in modo che il fascio UV copra l’intero smartphone) sarà di 25 mm. Questa distanza influisce direttamente sulle dimensioni della camera, e la nostra intenzione sarà quella di rendere la camera disinfettante ergonomica ed il più piccola possibile. Tuttavia, ricordiamo anche che i LED presentano una potenza relativamente elevata, pertanto è necessario assicurare un flusso d’aria di raffreddamento. Se necessario, il flusso d’aria può essere forzato mediante un ventilatore.

Proviamo a riassumere i presupposti del progetto in base alle dimensioni riportate nella Figura 1. Affinché l’oggetto possa essere inserito nella camera e sia anche possibile illuminarne i bordi, deve essere assicurato uno spazio tra l’alloggiamento della camera e l’oggetto. Diciamo che questo spazio sarà di 4 mm. Se la larghezza dello smartphone è di 160×80×12 mm e la distanza tra l’oggetto e il diodo UV è di 25 mm; le dimensioni interne della camera saranno 168×88×62 mm.

Un esempio di progetto della camera è illustrato nella figura 2. Bisogna ancora tenere conto dello spazio per l’interruttore di sicurezza (che disattiverà la luce UV dopo l’apertura dell’alloggiamento), i fori di montaggio per le schede dei LED UV, i fori per i cavi e i connettori, il sistema di fissaggio della scheda elettronica tenendo conto dei pulsanti, la finestra per il display o un altro dispositivo di segnalazione del tempo di accensione impostato, le cerniere del coperchio, ecc. Questo potrebbe essere l’aspetto dell’alloggiamento della camera di disinfezione per smartphone, progettata ad esempio per essere realizzata con una stampante 3D. Come possiamo vedere, la parte inferiore della camera dispone di 4 supporti su cui è possibile posizionare lo smartphone. Naturalmente, queste possono essere realizzate in altri modi e riprogettati in funzione degli oggetti disinfettati più comunemente.

 

 

Nella Figura 3. è stata presentata una proposta per risolvere il problema del driver. Il suo cuore sarà costituito da un microcontrollore AVR del tipo ATtiny2313 per via del prezzo contenuto. L’accuratezza di misurazione del tempo non è un requisito fondamentale, pertanto questo opera con la velocità di clock mediante un generatore RC integrato. Alla porta PD4, configurata come uscita, è stato collegato un semplice transistor di commutazione che attiva i diodi UV. I LED nello schema dispongono di proprie derivazioni P1… P4, che non sono obbligatorie e sulla scheda possono essere realizzate mediante punti di saldatura. È vero che il loro utilizzo faciliterà l’installazione, lo smontaggio e la messa in servizio della camera, ma non vi è alcun obbligo di utilizzare i connettori.

 

I LED UV sono alimentati da una sorgente di corrente realizzata sfruttando il popolare, ben noto, sistema LM317, che opera nella configurazione di stabilizzatore di corrente. Questa soluzione per molte ragioni è nettamente migliore rispetto all’utilizzo di un resistore. In primo luogo, protegge i LED in condizioni di temperatura di esercizio variabile, e in secondo luogo, permette l’alimentazione della camera con un ampio intervallo di tensione.

In questa configurazione la corrente di uscita del LM317 viene determinata mediante l’equazione:

I LED UV operano disposti in una configurazione in serie-parallelo. La loro tensione nominale è di circa 6,2 V. Tenendo conto della tensione necessaria per il corretto funzionamento dell’LM317 e del transistor di commutazione, al pin di alimentazione G1 deve essere collegata una sorgente da 15V, con una capacità di carico di 1A o superiore. È possibile utilizzare una tensione superiore, tuttavia, bisogna fare attenzione, dal momento che il suo eccesso verrà dissipato in forma di calore che dovrà essere disperso in qualche modo.

Il microcontrollore è alimentato con una tensione di 5V ottenuta dallo stabilizzatore U2 del tipo 78L05. L’interfaccia utente è composta da: pulsanti S1… S3, display a 7 segmenti SEG1 e interruttore di sicurezza collegato al pin P5. Il microcontrollore può essere programmato nel sistema utilizzando il connettore P6. Il display è controllato direttamente mediante la porta PB del microcontrollore. I pulsanti sono collegati alle porte PD0… PD2, l’interruttore di sicurezza alla porta PD3, mentre il transistor di commutazione è collegato ai LED UV alla porta PD4.

Il software del microcontrollore può essere scritto utilizzando un qualsiasi linguaggio per microcontrollori AVR, ad es. utilizzando AVR Studio e il compilatore AVR GCC. Tuttavia, potrebbe anche essere il popolare software Bascom AVR o un altro software. L’algoritmo di funzionamento del programma potrebbe essere il seguente:

• Dopo l’accensione dell’alimentazione i LED UV sono spenti, sul display viene visualizzato il valore “0” o un trattino orizzontale.
• L’utente imposta il tempo di esposizione utilizzando i pulsanti “più” / “meno”. Abbiamo a disposizione un solo display, pertanto il tempo di esposizione deve essere impostato con un certo intervallo, ad esempio, ogni 15 minuti. E così “1” potrebbe corrispondere a 15 minuti, “2” – a 30 minuti, e così via. Potremmo utilizzare anche delle lettere, anche se un intervallo temporale pari a “9” della durata di 405 minuti sembra molto lungo. Tuttavia, “a” potrebbe corrispondere a 420 minuti, ecc.
• Premiamo “start” per avviare la disinfezione. Durante la disinfezione, il numero visualizzato sul display cambia ogni 15 minuti. La fine della disinfezione è indicata mediante la segnalazione “0” sul display e, naturalmente, lo spegnimento dei LED UV.
• Il software prima di attivare l’alimentazione e durante il funzionamento, verifica che il coperchio sia chiuso. In caso contrario, disattiva immediatamente l’alimentazione dei LED UV. La chiusura del coperchio viene segnalata mediante il cortocircuito dell’uscita PD3 con la massa. Se il coperchio del dispositivo viene aperto durante la disinfezione, l’irraggiamento continuerà dopo la chiusura di quest’ultimo.

 

Per Concludere

L’articolo presenta un progetto per la costruzione di una camera per disinfettare gli smartphone. Le soluzioni presentate sopra dovrebbero essere considerate un’idea, e non come un progetto già pronto di dispositivo per l’auto-costruzione. Realizzando una camera simile, questa può essere modificata liberamente per soddisfare esigenze proprie. L’alloggiamento della camera non deve necessariamente essere realizzato con una stampante 3D: è possibile utilizzare alloggiamenti già pronti, o realizzare quest’ultimo ad esempio in legno. Tuttavia, va ricordato che bisogna utilizzare un materiale resistente ai raggi UV. Lo stesso vale per l’interruttore basato sul microcontrollore. Invece di costruirlo da soli sulla base di un microcontrollore, è possibile utilizzare un relè temporizzato già pronto, anche se la scrittura autonoma del software in base alle istruzioni fornite nell’articolo può offrire molte soddisfazioni. Naturalmente, invece del display LED, è possibile utilizzare un modulo display LCD, su cui è possibile presentare un maggior numero di informazioni, e invece dei pulsanti è possibile utilizzare un encoder con pulsante che concentrerà tutte le funzioni dei manipolatori dell’interfaccia utente.

Per l’alimentazione dei LED UV è possibile utilizzare sorgenti regolate in corrente. Indipendentemente dalla tensione di soglia dei giunti dei LED, che cambierà a causa del riscaldamento della struttura dei semiconduttori, si manterrà una corrente di alimentazione costante. Ciò ha un enorme impatto sulla durevolezza dei LED, che presentano un prezzo molto più alto rispetto ai LED standard.

Fonte di questo articolo: tme.eu