Tecnologia UV-C LED: Come Disinfettare Oggetti e Proteggersi dai Patogeni

Disinfetta, mediante l’esposizione a raggi ultravioletti generati da innovativi LED UVC, mascherine e oggetti proteggendoli da virus e batteri.

In tutte le situazioni dove si rende necessario igienizzare, sanificare e comunque disinfettare oggetti potenzialmente depositari di particelle infettive (virus, batteri ecc.) si fa uso di strumenti e presidi medico-chirurgici di volta in volta idonei; non è solo il caso delle misure di prevenzione della diffusione del COVID-19, ormai entrate a far parte della nostra vita dall’inizio dell’anno, ma anche della routine che coinvolge studi medici, reparti ospedalieri e ambiente domestico dove si debba prestare cure alle persone.

Una delle tecniche di sanificazione o, meglio, di sterilizzazione, molto utilizzata da anni, è quella basata sull’esposizione alla luce ultravioletta di tipo C, che ha una notevole energia e che, da studi condotti, ha lunghezze d’onda che risultano letali per virus e batteri.

Ecco perché abbiamo pensato di sfruttarla in un progetto che certamente vi sarà utile, perché si tratta di un sanificatore di oggetti come le famose mascherine chirurgiche utilizzate per la protezione dall’infezione da COVID-19.

Naturalmente per stare al passo con i tempi abbiamo pensato di realizzare qualcosa che fosse contraddistinto dalla presenza di una soluzione tecnologica innovativa (per non smentire l’intento che ci animò quando, nel 1995, chiamammo la nostra rivista Elettronica Innovativa…) che nello specifico è l’adozione di corpi illuminanti allo stato solido, ossia nuovissimi LED UV-C in luogo delle convenzionali lampade a LED o a vapori di mercurio a bassa pressione.

L’azione degli ultravioletti

Gli UV-C sono da tempo conosciuti per la loro azione disinfettante da agenti patogeni (non a caso è stato recentemente pubblicato uno studio congiunto dell’Università Degli Studi di Milano, dell’Istituto di Astrofisica e dell’Istituto dei tumori sulla correlazione tra l’esposizione solare -quindi agli UV- e la diffusione del contagio da COVID-19) e vengono diffusamente utilizzati da oltre 40 anni nella disinfezione di acqua potabile, acque reflue, aria, prodotti farmaceutici, ferri chirurgici (e strumenti odontoiatrici) e superfici da una vasta gamma di agenti patogeni umani.

Tutti i batteri e i virus testati (molte centinaia nel corso degli anni, compresi virus recenti) rispondono alla disinfezione mediante UV-C (in vero, anche UV-B) intendendo con ciò che vengono abbattuti dall’esposizione a tali radiazioni.

Alcuni organismi si sono dimostrati più sensibili alla disinfezione UV-C rispetto ad altri, ma tutti i test finora eseguiti rispondono alle dosi appropriate.

Secondo l’International Ultraviolet Association (https://iuva.org), lo spettro ultravioletto corrispondente alla capacità di sterilizzazione è di circa 200-300nm e quindi molto ristretto; per l’esattezza la gamma battericida si estende fra 280 nm e 300 nm.

Teoricamente la lunghezza d’onda di 265 nm è considerata quella ottimale perché ad essa corrisponde il picco della curva di assorbimento del DNA/RNA: la maggior parte dei picchi per virus e batteri è sui 265 nm.

Questo spiega perché è possibile utilizzare una singola lunghezza d’onda per eliminare tutti i batteri, sebbene ciascuna famiglia presenti diverse lunghezze d’onda di assorbimento ottimali.
Generalmente, l’intensità della potenza, la lunghezza d’onda e la durata dell’irradiazione vengono utilizzate per determinare l’effetto battericida.

Ad esempio, nell’acqua possono esserci più batteri con diverso assorbimento ottimale lunghezze d’onda.

Per ogni data lunghezza d’onda di UV germicida, è necessario calcolare la potenza e il tempo di irradiazione per raggiungere il livello di disinfezione desiderato.

Il progetto del sanificatore con LED UV

Entriamo dunque nel vivo della descrizione del nostro apparato, che consta di un contenitore in plexiglass con un coperchio incernierato all’interno del quale, rivolta verso il basso, si trova una strip a LED UV-C commercializzata dalla Futura Elettronica che ospita, su un PCB, quattro o quindici LED SMD emittenti nell’ultravioletto UV-C, gamma ideale come metodo di sterilizzazione e sanificazione di superfici e oggetti.

La lunghezza d’onda della radiazione emessa dai LED è compresa nella banda dei 265 e i 278nm.

I LED utilizzati sono di tipo 3535, da 5mW di potenza ciascuno e con un angolo di emissione di 120°, quindi sufficientemente ampio da poter “illuminare” con gli UV-C un’ampia superficie anche a pochi centimetri di distanza.

La nostra strip è mostrata nella Fig. 1.

 

Queste strip si alimentano con una tensione continua di 5÷12 Vcc e integrano il regolatore di corrente per i LED, il che ci permette di accenderle semplicemente alimentandole, certi che il controller di bordo provvederà a regolarne i parametri operativi nella maniera ottimale.

La strip a LED viene alimentata attraverso la chiusura del coperchio, in corrispondenza della battuta del quale è posizionato un interruttore reed utilizzato per alimentare un temporizzatore programmabile a display, anche questo reperibile presso la Futura Elettronica (codice prodotto DPTIMER12V) e utilizzato per pilotare fisicamente la strip in base all’impostazione che andremo a effettuare manualmente.

A riguardo va precisato che questo timer (Fig. 2) prevede numerose possibilità di funzionamento; è infatti un timer multifunzione da pannello con display a LED rossi per un tempo (TIMER1) e display a LED verdi per l’altro tempo (TIMER2), pulsanti per le impostazioni, relé di uscita in grado di commutare carichi di vario genere.

 

Il tempo per ciascuno dei due timer (temporizzazione) può essere impostato da 0 a 999 secondi, da 0 a 999 minuti, da 0 a 999 ore. Inoltre è possibile scegliere una delle seguenti modalità di funzionamento:
1. all’accensione il relé è disattivo, allo scadere del tempo impostato per il TIMER1 il relé si attiva;
2. all’accensione il relé è attivo, allo scadere del tempo impostato per TIMER1 il relé si disattiva;
3. all’accensione il relé risulta disattivo, allo scadere del tempo impostato per TIMER1 il relé si attiva ed allo scadere del tempo impostato per TIMER2 torna a riposo;
4. all’accensione il relé è attivo, allo scadere del tempo impostato per TIMER1 il relé si disattiva, allo scadere del tempo impostato per TIMER2 si attiva;
5. funzionamento ciclico 1: all’accensione il relé è disattivo, allo scadere del tempo impostato per TIMER1 il relé si attiva e allo scadere del tempo impostato per TIMER2 si disattiva nuovamente;
6. funzionamento ciclico 2: all’accensione il relé è attivo, allo scadere del tempo impostato per TIMER1 si disattiva, quindi una vostra trascorso il tempo impostato per TIMER2 si attiva nuovamente.

Nel nostro progetto abbiamo scelto la modalità 3 con l’impostazione di un tempo di preparazione all’avvio (utile, ad esempio, per ricordarci che sta per iniziare l’emissione degli ultravioletti) di 10 secondi, durante i quali il relé si trova a riposo, e una durata dell’esposizione agli UV di 5 minuti (300 secondi); tali tempi, come specificato poc’anzi, possono essere modificati a piacimento tramite i pulsanti in dotazione, collocati sul annello frontale del dispositivo e meglio descritti dalla Fig. 3.

 

La procedura d’impostazione di modalità operativa e tempi dei TIMER1 e TIMER 2 la descriveremo tra breve. Il timer si alimenta a 12 Vcc e per il controllo degli utilizzatori integra un relé con esposti i contatti C (comune) ed NO (normalmente aperto) dello scambio, capaci di commutare correnti dell’ordine di 10A in circuiti funzionanti a 250 Vca e di 20 A a 14 Vcc.

Lo scambio del relé viene reso accessibile da una morsettiera posta sul retro del timer, insieme a quella di alimentazione, come vedete nella foto in Fig. 4.

 

Nella nostra applicazione il relé deve commutare relativamente poco e quindi non abbiamo alcun problema a fare tutto con il timer, senza ricorrere a dispositivi di commutazione esterni: infatti la strip assorbe circa 500 mA, che per il relé rappresentano un carico poco impegnativo.

Realizzazione pratica

Vediamo dunque come costruire il sanificatore a ultravioletti partendo dalla parte elettrica ed elettronica, meglio descritta dallo schema di cablaggio che trovate in queste pagine: i collegamenti da effettuare sono pochi ed essenziali, perché, come vedete dal disegno, l’alimentazione in arrivo al jack DC viene portata (passando con il positivo per l’interruttore reed) alla morsettiera di alimentazione del timer; il negativo passa, invece, direttamente dal jack al “–” della predetta morsettiera e va riportato pari-pari sul contatto “–” della strip a LED. Lo scambio del relé va alimentato ponticellando il +V del timer e il contatto C del relé stesso, quindi si preleva l’alimentazione positiva commutata dallo scambio, per mandarla con un filo al +V della strip a LED. Tutto qui.

Il cablaggio va effettuato con del filo in rame con guaina del diametro di 0,5 mm o anche qualcosa meno, dato che le correnti in gioco (l’assorbimento è di circa 110 mA a 5 V e 145 mA a 12 volt) sono piuttosto ridotte e le tensioni pure.

Quanto alla struttura meccanica, nel nostro caso abbiamo messo insieme un contenitore in plexiglass delle dimensioni di circa 25x16x6 cm (composto dalle parti visibili in esploso nella Fig. 5) all’interno del quale è ricavato un vano grande pressappoco come la classica mascherina chirurgica, almeno per quel che riguarda l’area di base; il nostro vano ha una profondità di circa 5 centimetri, quanto basta a deporre gli oggetti a una distanza che permetta ai raggi UV, uscenti angolati di 120° dai LED, di coprirne adeguatamente la superficie.

La Fig. 6 propone il prototipo con aperto il coperchio incerniarato e il vano porta-oggetti da disinfettare.

 

Il timer si colloca frontalmente realizzando nel relativo pannello del contenitore una finestra in cui inserirlo a incastro (grazie alle apposite clip) e posteriormente si può prevedere il jack DC per l’alimentazione (Fig. 7).

 

Il contenitore deve avere un coperchio incernierato preferibilmente su un lato corto e sulla battuta del quale va applicato un piccolo magnete piatto che vada a coincidere, a coperchio chiuso, con l’interruttore reed che posizionerete sulla base in modo che si trovi sulla battuta, se pur montato all’interno e ben incassato.

Per evitare la fuoriuscita degli ultravioletti, dalla cui esposizione il nostro occhio dovrebbe essere preservato, occorre fare in modo che il coperchio aderisca bene alla base e quest’ultima sia chiusa molto bene, ovvero che il vano nel quale saranno diffusi gli UV-C sia sigillato.

Questo perché fughe di ultravioletti dalle giunture o dal piano di appoggio del coperchio possono investire gli occhi di chi è vicino e certo non farebbero bene, anche considerando che non è facile vederle perché tutti gli UV, ma soprattutto gli UV-C, cadono in una regione dello spettro che non è visibile ad occhio nudo.

Infatti i LED da noi utilizzati operano in tale gamma a differenza delle lampade UVA, che irradiano comunque una porzione di luce viola, questi non emettono alcuna radiazione visibile e per questo le fughe di “luce” possono essere insidiose.

Per rendere stabile l’insieme è consigliabile applicare al fondo del contenitore e quindi della base, dei feltrini o piedini di gomma. L’alimentazione all’insieme andrà applicata con un alimentatore da rete capace di erogare 12Vcc e una corrente dell’ordine dei 500 milliampere; come vedete dalle foto del prototipo, noi per le prove abbiamo applicato in serie al cavo dell’alimentatore un interruttore tipo quello per le abat jour, allo scopo di applicare e togliere tensione all’insieme, ma se volete, potete ottenere lo stesso effetto montando su una parete della base un interruttore unipolare a pulsante o a levetta, elettricamente connesso in serie al filo positivo di alimentazione, prendendo spunto dalla Fig. 8.

 

Un’ultima nota riguarda la strip a LED, che nel nostro prototipo (lo vedete ad esempio dalla Fig. 9) è stata montata in diagonale, ma che se realizzate una struttura più lunga può essere posizionata parallela al lato lungo del coperchio, in posizione centrale (lungo la linea mediana); infatti la posizione obliqua non è obbligata ma nel nostro caso dipende soltanto dalle dimensioni del coperchio.

Il progetto

Una volta completato l’insieme, prima di utilizzarlo dovete settare il timer. Per l’impostazione dei tempi, alimentate il circuito (magari per evitare accensioni indesiderate della strip a LED sconnettetene il positivo dallo scambio del relé del timer) e fate in modo che il timer sia costantemente alimentato; allo scopo conviene momentaneamente ponticellare l’interruttore reed.

Quindi premete brevemente il pulsante SET e quando il primo display (TIMER1) lampeggia premete i pulsantini PULSANTE+ o PULSANTE– per impostare il tempo del TIMER1 (ossia quello che trascorre prima che la luce a LED UV-C venga alimentata) e poi nuovamente SET e quindi PULSANTE+ e PULSANTE- per definire sul display il tempo del TIMER2 (durata di accensione dei LED).

Questo valore è generico e per questo dovete premere a lungo il pulsante SET (circa 5 secondi) per entrare nelle impostazioni, ovvero per comunicare al timer che significato avranno: ore, minuti o secondi.

Quindi dopo la pressione prolungata di SET verrà visualizzato sul primo display “P0” e sul secondo “0”; in questa modalità il tempo che imposterete per TIMER1 e TIMER2 sarà in secondi; se volete che sia in minuti o in ore premete i pulsanti con le frecce fino a visualizzare l’impostazione corrispondente, considerando che P0 e 0 significa secondi, P0 e 1 minuti e P0 e 2 ore. A noi interessa il tempo in secondi quindi lasciate stare i pulsanti freccia e premete ancora brevemente il pulsante SET, così da andare a impostare la “Modalità di funzionamento”; qui dovete utilizzare i pulsanti con le frecce per selezionare una delle sei modalità descritte nelle pagine precedenti: il display in alto visualizza P1 e quello in basso 1.

Siccome a noi interessa far funzionare il timer in modalità 3, agite sui tasti freccia fino a veder apparire 3 sul display inferiore.

A questo punto non premete alcun pulsante per almeno 5 secondi, cosicché il timer esce dalla modalità impostazioni e passa nel normale funzionamento: il timer è pronto per operare con i tempi che avete impostato.

Rimuovete quindi il ponticello di cortocircuito dell’interruttore reed e il vostro sanificatore è pronto; metteteci dentro le mascherine che utilizzate per proteggervi dal COVID-19 o gli oggetti che desiderate disinfettare e chiudete il coperchio: il timer partirà e dopo 10 secondi accenderà i LED.Una nota prima di lasciarci: se avete dei vecchi circuiti che usano le EEPROM, potete utilizzare il sanificatore per cancellarle.