ams

Как оптимизировать дизайн светодиодного освещения для выращивания растений в помещении

В статье описывается роль светодиодов для выращивания растений в домашних условиях, обсуждаются проблемы, которые они создают, и даются рекомендации по их использованию. При этом приводятся примеры светодиодов и связанных с ними компонентов для применения внутри помещений от таких компаний, как OSRAM, Luminous Devices, W?rth Elektronik, ams, RayVio и Microchip Technology. В завершение приводятся последние разработки в области использования ультрафиолетового спектра, а также другие требования по оптимизации систем светодиодного освещения
380
В избранное

Индустрия земледелия при искусственном освещении все чаще использует преимущества светодиодного освещения, и на то есть веские причины. Светодиоды очень маленькие и легкие, работают как минимум в 10 раз дольше, чем любой другой источник света, потребляют минимальный ток, очень эффективны, могут генерировать свет с различной спектральной длиной волны и легко совместимы с цифровыми системами управления. Тем не менее, разработка и оптимизация производительности светодиодной осветительной системы является сложной задачей и требует учета гораздо большего количества показателей, чем было необходимо в системах предыдущего поколения с натриевыми лампами высокого давления (HPS).

В статье описывается роль светодиодов для выращивания растений в домашних условиях, обсуждаются проблемы, которые они создают, и даются рекомендации по их использованию. При этом приводятся примеры светодиодов и связанных с ними компонентов для применения внутри помещений от таких компаний, как OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio и Microchip Technology. В завершение рассматриваются последние разработки в области использования ультрафиолетового спектра, а также другие требования по оптимизации систем светодиодного освещения.

Растущая светодиодная фермерская экосистема

Переход от HPS и других источников света на светодиоды для выращивания растений в помещении стал возможен благодаря огромным размерам рынка потребительского освещения, который послужил стимулом для более быстрого развития современного уровня техники. В результате, в последние годы разнообразие, производительность, надежность и стоимость светодиодов значительно улучшились. Например, модель светодиода OSRAM GH CS8PM1.24-4T2U-1 со спектральным максимумом от 646 до 666 нанометров (нм) (красный), имеет мощность излучения 425 милливатт (мВт) с эффективностью 59% и угол излучения 80?.

Светодиод Luminous Devices SST-10-B работает на длине волны 450 нм (синий) и обеспечивает минимальную мощность излучения 510 мВт с эффективностью 57%. Угол излучения может быть 90° или 130°. "Садовые" светодиоды Würth Elektronik типа модели 150353GS74500 (525 нм, зеленый), имеют угол излучения 125?. Все эти производители также предлагают светодиоды, работающие на других длинах волн, которые охватывают весь спектр, необходимый для выращивания растений (рис. 1).

Спектры поглощения пигментов, используемых для фотосинтеза, широко распространены по всему видимому спектру от 400 до 700 нм

Рис. 1. Спектры поглощения пигментов, используемых для фотосинтеза, широко распространены по всему видимому спектру от 400 до 700 нм

Выращивание растений в помещении затрагивает множество научных дисциплин от ботаники и науки о растениях и почве, управления растениеводством  до электронных систем мониторинга и контроля. Внедрение нового источника света в эту среду является одновременно сложной и полезной задачей. При оптимальных условиях, достигнутых в помещении с использованием светодиодного освещения, можно получить поистине удивительные результаты.

Широко цитируемый пример – вертикальная ферма салатов Mirai в японском городе Тагахо (рис. 2). На этом объекте площадью 25 000 футов2, расположенном в чистых помещениях бывшего производственного здания Sony, с 2015 года ежедневно собирают тысячи головок салата и других растений. Это достигается с помощью 17 500 светодиодов без использования пестицидов, используя всего 2% воды и на 40% меньше почвы, в среде без бактерий.

Вертикальная ферма Mirai является второй по величине в мире

Рис. 2. Вертикальная ферма Mirai является второй по величине в мире

С универсальностью приходят проблемы

По иронии судьбы универсальность светодиодов – одно из их уникальных и основных преимуществ для выращивания в помещении, также усложняет и внедрение закрытой фермы на основе светодиодов. Например, они могут диммироваться, поэтому их драйверы должны включать эту возможность. Кроме того, для достижения конкретных длин волн требуется знание более сложных спецификаций светодиода.

Как и любые полупроводниковые устройства, светодиоды требуют особого внимания к факторам, которые не важны для «обычной лампочки», таким как надежная и быстродействующая защита от перегрузки и точное согласование диода с цепью управления. К счастью, быстрый рост садоводства, особенно вертикального земледелия, дал производителям осветительных компонентов стимул для разработки целых экосистем, предназначенных для этого применения, включая типовые решения, оценочные платы и документацию, которые существенно упрощают процесс разработки.

Распространенное заблуждение среди некоторых разработчиков заключается в том, что светодиоды производят меньше тепла, чем светильники HPS, но это справедливо только в том случае, если светильник работает на низкой мощности. На самом деле, светодиодный светильник мощностью 600 Вт и источник света на лампе HPS мощностью 600 Вт производят примерно одинаковое количество тепла. Разница между ними заключается в том, сколько полезной световой энергии вырабатывается, и как тепло излучается из прибора.

Нагрев источников света HPS может достигать 800 °F, и тепло может излучаться, в том числе, в направлении урожая, тогда как нагрев в светодиодах сосредоточен там, где смонтированы собственно диод и драйвер. Это основная причина, почему светодиоды намного удобнее HPS для вертикального земледелия, так как их можно размещать очень близко к растениям, не причиняя ущерба.

Логичным  выбором, исходя из приведенных выше рассуждений, будет выбор светодиодов с низким энергопотреблением и для многоуровневых приложений, расположенных максимально близко друг над другом. Однако большинство светодиодов малой мощности имеют фиксированный угол излучения, в то время как у мощных светодиодов угол излучения может достигать 150 градусов. Кроме того, чтобы соответствовать производительности мощного светодиода, потребуется использовать много светодиодов с низким энергопотреблением. Мощные светодиоды часто лучше подходят для навесных применений, в которых их большая мощность может обеспечить широкий охват полезной площади.

Тем не менее, тепло, генерируемое светодиодным светильником, обязательно нужно учитывать и нужно быстро отвести от платы с помощью системы управления температурным режимом, иначе срок службы светодиодов значительно уменьшится, вплоть до полного отказа светильника. В рассматриваемых системах используются светильники с пассивными радиаторами и активно охлаждаемые светильники с вентиляторами или водяным охлаждением. Светильники с активным охлаждением потребляют дополнительную энергию и их механические компоненты могут выходить из строя, что приводит к перегреву светодиодов.

Оптимизация срока службы

Светодиоды обычно имеют срок службы порядка 20 000 часов, а часто - до 50 000 часов (срок службы светодиодов определяется как уменьшение яркости на 70% по сравнению с первоначальным значением). Целью разработчика светодиодной системы освещения является обеспечение номинального срока службы светодиодов, а также сохранение максимальной выходной мощности во времени путем стабилизации их входного напряжения и тока. Это задача источника питания, в частности драйвера светодиода, который непрерывно получает данные от датчиков температуры и выполняет регулировки для поддержания оптимальной производительности. Чтобы дополнить эти возможности управления, желательно также измерять яркость источников света в режиме реального времени. Для достижения этой цели проще всего использовать спектральные датчики.

Например, ams предоставляет семейство спектральных датчиков, которые измеряют фактический спектральный профиль светодиодов в режиме реального времени и напрямую управляют драйвером светодиодов, регулируя выходной сигнал до тех пор, пока он не будет соответствовать заданным целевым значениям для цветности и интенсивности. Модель AS7263-BLGT имеет шесть независимых оптических фильтров, полоса пропускания которых настроена на диапазон от 600 до 870 нм (рис. 3), в то время как AS7262-BLGT работает в диапазоне от 450 до 650 нм. Вместе они дают возможность точно контролировать как отдельные светодиоды, так и целые секции. Данные передаются с помощью текстовых сообщений через UART или через I²C. В совокупности эти датчики, наряду с другими возможностями, позволяют оптимизировать время жизни светодиодов, одновременно обеспечивая необходимую аналитику.

Датчик света AS7263-BLGT чувствителен к длинам волн от 450 до 650 нм

Рис. 3. Датчик света AS7263-BLGT чувствителен к длинам волн от 450 до 650 нм

Это один из семейства спектральных датчиков, который измеряет спектральный профиль светодиодов в режиме реального времени и напрямую управляет драйвером светодиодов для регулировки выходного сигнала, пока он не будет соответствовать заданным целевым значениям для цветности и интенсивности.

Схема защиты

В большинстве приложений требуется, чтобы светодиодные линейки питались от источника постоянного тока, и проектирование таких источников для последовательного соединения множества линеек может быть сложной задачей. Схема защиты обычно основана на нескольких компонентах в системе управления, поскольку вся цепь питания и управления от светодиода до любого пассивного и активного компонентов должна быть защищена от переходных процессов. Для защиты от перенапряжения обычно используется металлооксидный варистор (MOV), расположенный на входе сети переменного тока, который обеспечивает высокий уровень подавления переходного напряжения. Он будет поглощать потенциально разрушительную энергию и рассеивать ее в виде тепла, помогая защитить компоненты. Схема драйвера линейки светодиодов обычно также включает в себя резистор с положительным температурным коэффициентом (PTC), который защищает светодиоды от перегрузки по току и перегрева, и диод для подавления переходного напряжения (TVS) для защиты от перенапряжения.

Кроме того, необходимо учитывать, что для выращивания растений в помещениях обычно требуется относительно высокая температура окружающей среды и высокая влажность, поэтому система освещения должна быть способна работать в таких условиях. Кроме того, в отличие от светильников, используемых в других приложениях, которые остаются в одном месте на протяжении всего срока их эксплуатации, на вертикальных фермах нужно иметь возможность поднятия, опускания или перемещения светильников для оптимизации роста растений. Это влияет на требования к проводке, которые подробно описаны в UL 8000.

Замечания о драйверах

Существует два основных типа драйверов: работающие от низкого напряжения постоянного тока и те, которые используют высокое напряжение переменного тока. Например, микросхема  Microchip CL88030-E/ MF предназначена для управления длинной линейкой слаботочных светодиодов напрямую от 120, 230 или 277 В переменного тока. Типичное решение включает в себя микросхему драйвера, четыре полевых транзистора, четыре резистора, два конденсатора и мостовой выпрямитель. Предусмотрена защита от перегрева для постепенного снижения светоотдачи при повышении температуры светодиодов, а также регулирование линии. Дополнительная защита от перегрева может быть реализована с помощью термистора NTC (Рис. 4).

 Схема на основе линейного драйвера CL88030-E / MF Microchip вместе со схемой защиты с использованием MOV и NTC

Рис. 4. Схема на основе линейного драйвера CL88030-E / MF Microchip вместе со схемой защиты с использованием MOV и NTC

Количество светодиодов, которые можно включить последовательно, зависит от драйвера, входного напряжения, электрических характеристик и стандартов безопасности. Размещение светодиодов последовательно в одной цепочке с равным током, протекающим через каждый светодиод позволяет снизить затраты, используя только один драйвер. Однако это приводит к высокому выходному напряжению и, следовательно, к увеличению размеров платы и, возможно, к необходимости применения дополнительных стандартов безопасности.

Последовательно-параллельное включение позволяет использовать более низкое входное напряжение и снижает вероятность поражения электрическим током. Если одна цепочка светодиодов выходит из строя, другие ветви продолжат работать, и отказ одного светодиода не отключит весь массив. При этом, правда, на часть светодиодов будет подаваться более высокий ток, что может привести к их перегреву. Кроме того, последовательно-параллельное включение усложняет использование светодиодов с различным уровнем падения прямого напряжения.

Возможным решением может быть использование отдельных драйверов для каждой светодиодной цепочки, что обеспечивает высочайшую надежность, но увеличивает стоимость и размер решения. Зато такой подход позволяет получить какую-то светоотдачу, даже если отказывает более одной светодиодной линейки.

Вопрос об ультрафиолетовом освещении

В научных кругах и промышленности по-прежнему ведутся серьезные дискуссии о возможности использования светодиодов с излучением в ультрафиолетовой невидимой части спектра (от 280 до 385 нм) для выращивания растений. Ультрафиолетовый свет, как правило, считается менее интересным для выращивания в закрытых помещениях, поскольку он находится за пределами фотосинтетически активных длин волн. Примерно 15 лет назад было проведено минимальное исследование по этому вопросу.

Кроме того, нужно учитывать требования безопасности: UV-В фотоны могут вызывать повреждения клеток у людей и растений. Поэтому производители систем освещения предпринимают обширные меры для значительного сокращения ультрафиолетового излучения, испускаемого их изделиями. Как правило, использование ультрафиолетового излучения в сельском хозяйстве требует обширных мер защиты для всех, кто работает внутри опасной зоны.

Но есть один интересный момент, привлекательный для отрасли вертикального земледелия и сельского хозяйства в целом - это реакция растений на ультрафиолетовый свет, который заставляет растение активировать свои защитные механизмы для защиты от этих длин волн. Исследования показывают, что некоторые растения могут продуцировать 15 различных защитных белков при воздействии ультрафиолета. Некоторые из этих белков влияют на запах, цвет, вкус и устойчивость растений к болезням, и эти результаты невозможно получить при использовании других длин волн.

Свет на эту тему пролило обнаружение специфичных фоторецепторов (UVR8) в начале 2000-х годов и их исследование в 2011 году. Хотя механизмы, с помощью которых UVR8 регулирует экспрессию генов, до сих пор не совсем понятны, тем не менее, в литературе были отмечены потенциальные выгоды от ультрафиолетового света, начиная от роста растения, увеличения толщины и восковости листьев, изменения окраски листьев, высокой устойчивости к патогенам и насекомым, увеличения срока годности, увеличение производства полезных антиоксидантов и флавоноидов, а также улучшение питательной ценности фруктов и овощей.

Конечно, стоит подождать результатов исследований, чтобы определить, насколько реальны заявленные преимущества и стоит ли использование ультрафиолета для выращивания растений в помещении значительных инвестиций во времени, оборудовании и обучении персонала для обеспечения безопасности. Между тем, уже сейчас доступны ультрафиолетовые светодиоды, предназначенные для других применений, такие как RayVio RVXR-280-SB-073105 со спектральной длиной волны 280 нм.

Выводы

Гибкость, которую обеспечивают светодиоды, сопряжена с дополнительными трудностями, выходящими далеко за рамки тех проблем, которые возникают при использовании относительно простых источников света, таких как HPS. Тем не менее, возможность выращивать больше растений в меньшем пространстве без потребности в химикатах и используя гораздо меньшее количество почвы (или вообще без почвы) при одновременном увеличении питательной ценности овощей и улучшении цветения растений чрезвычайно привлекательна. В результате возникает быстро развивающаяся и хорошо поддерживаемая ведущими производителями отрасль освещения и полупроводниковых компонентов, направленная на выращивание растений при искусственном освещении.

Источник: https://www.digikey.com

Производитель: ams AG
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AS7262-BLGT
ams AG
Арт.: 2275040 ИНФО PDF DT
Доступно: 610 шт. 2208,94
Выбрать
условия
поставки
Микросхема анализатора спектра AS7262 предназначена для работы с видимой частью света (рис. 4). Ее фотодиоды имеют селективную чувствительность 450/ 500/ 550/ 570/ 600/ 650 нм с шириной 40 нм. Как видно, их пиковые частоты разнесены на 50 нм (за исключением 570 нм оранжевый цвет).
AS7262-BLGT 2208,94
610 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AS7263-BLGT
AS7263-BLGT
ams AG
Арт.: 2286467 ИНФО PDF DT
Доступно: 757 шт. 645,00
6-канальный интегральный анализатор спектра
AS7263-BLGT 645,00 от 7 шт. 586,00 от 15 шт. 565,00 от 30 шт. 538,00 от 78 шт. 511,00
1 шт.
(на складе)
756 шт.
(под заказ)
AS7263-BLGM
ams AG
Арт.: 2800941 ИНФО DT
Доступно: 608 шт. от 1 шт. от 1067,85
Выбрать
условия
поставки
Ambient Light Sensors AS7263-BLGM LGA20 LF 600 nm to 870 nm
AS7263-BLGM от 1 шт. от 1067,85
608 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AS7262-BLGM
AS7262-BLGM
ams AG
Арт.: 2800942 DT
Доступно: 598 шт. от 2 шт. от 662,77
Выбрать
условия
поставки
Ambient Light Sensors AS7262-BLGM LGA20 LF T&R
AS7262-BLGM от 2 шт. от 662,77
598 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Wurth Elektronik Eisos Gmbh & Co. Kg
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
150353GS74500
Wurth Elektronik Eisos Gmbh & Co. Kg
Арт.: 2354139 ИНФО PDF
Доступно: 1284 шт. от 4 шт. от 490,55
Выбрать
условия
поставки
LED, HB, GREEN, 2.66W, 85LM
150353GS74500 от 4 шт. от 490,55
1284 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Luminus Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
SST-10-B-B90-P450
SST-10-B-B90-P450
Luminus Devices, Inc.
Арт.: 2513090 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LED SST10 BLUE 450NM SMD
SST-10-B-B90-P450
-
Поиск
предложений
SST-10-DR-B90-G660
SST-10-DR-B90-G660
Luminus Devices, Inc.
Арт.: 2513115 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LED SST10 RED 660NM SMD
SST-10-DR-B90-G660
-
Поиск
предложений
SST-10-B-B130-N450
SST-10-B-B130-N450
Luminus Devices, Inc.
Арт.: 2513650 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LED SST10 BLUE 450NM SMD
SST-10-B-B130-N450
-
Поиск
предложений
SST-10-FR-B90-G730
SST-10-FR-B90-G730
Luminus Devices, Inc.
Арт.: 2513660 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LED SST10 RED 730NM SMD
SST-10-FR-B90-G730
-
Поиск
предложений
SST-10-DR-B130-G660
SST-10-DR-B130-G660
Luminus Devices, Inc.
Арт.: 2513789 ИНФО PDF
Поиск
предложений
LED SST10 RED 660NM SMD
SST-10-DR-B130-G660
-
Поиск
предложений
Производитель: OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GH CS8PM1.24-4T2U-1
OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH
Арт.: 2641221 ИНФО PDF
Доступно: 2910 шт. от 12 шт. от 524,43
Выбрать
условия
поставки
LED OSLON SSL80 RED 657NM SMD
GH CS8PM1.24-4T2U-1 от 12 шт. от 524,43
2910 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GH CS8PM1.24-4T2U-1-0-350-R18
OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH
Арт.: 2642585 PDF
Доступно: 2008 шт. от 1 шт. от 198,61
Выбрать
условия
поставки
GH CS8PM1.24-4T2U-1-0-350-R18 от 1 шт. от 198,61
2008 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
GH CS8PM1.24-3T1U-1
OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH
Арт.: 2720670 ИНФО PDF
Доступно: 2932 шт. от 12 шт. от 524,43
Выбрать
условия
поставки
LED OSLON SSL 80 HYPER RED SMD
GH CS8PM1.24-3T1U-1 от 12 шт. от 524,43
2932 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Microchip Technology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CL88030T-E/MF
CL88030T-E/MF
Microchip Technology Inc.
Арт.: 3093281 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Input Voltage Min (V) - 90; Input Voltage Max (V) - 320; Dimming - External; Parallelable - Yes; Package - 10-Ld DFN
CL88030T-E/MF
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()