發布日期：2022-04-17 點擊率：76
LED 照明擁有多種優勢，室內種植行業正在增加這方面的利用，這樣做的理由非常充分。因為 LED 體積小、重量輕，使用壽命至少是其他任何光源的 10 倍，消耗的電流很小，而且能效非常高，能夠產生不同的光譜波長，還兼容數字控制系統。但是，設計 LED 照明系統并優化其性能是一項復雜的工作，與高壓鈉 (HPS) 燈等相對簡單的前幾代產品相比，需要注意的指標更多。
本文介紹 LED 在室內種植中扮演的角色，討論它們帶來的挑戰，并給出了一些使用建議。此外，還提供了適合室內種植應用的 LED 和相關元器件的實例，它們來自多家公司，包括 OSRAM、Luminous Devices、Würth Elektronik、ams、RayVio 和 Microchip Technology。最后，本文還介紹 UV 光譜利用方面的最新發展動態，以及 LED 照明系統優化方面的其他要求。
由于消費照明市場的規模非常龐大，為廠商提供了更快推動先進技術發展的動力，而室內種植正可能因此而實現了從高壓鈉燈和其他光源向 LED 的遷移。因此，近年來 LED 的多樣性、性能和可靠性得到了顯著提升，同時成本卻大為減少。例如，OSRAM 的 GH CS8PM1.24-4T2U-1 型產品使用從 646 到 666 納米 (nm)（紅色）光譜范圍，發射功率為 425 毫瓦 (mW)，效率達到 59%，輻射角度為 80?。
Luminous Devices 的 SST-10-B 型產品的波長為 450 nm（藍色），最低發射功率為 510 mW，效率達到 57%。輻射角度可以指定為 90°或 130°。Würth Elektronik 的園藝 LED 包括 150353GS74500 型 525 nm（綠色）設備，輻射角度為 125?。這些制造商及其他廠商還提供適用于室內種植的其他波長的 LED，從而覆蓋種植業所需的整個光譜（圖 1）。
圖 1：光合作用所用色素的吸收光譜廣泛分布在約 400 至 700 nm 的可見光譜中。（圖片來源：Würth Elektronik）
室內植物種植橫跨多個學科，從植物學到種植和土壤科學，再到作物管理，現在還涉及到電子監視和控制系統。在這種環境中引入新光源，既具備一定的挑戰性，也能帶來回報，因為很快就有新的發現。在使用 LED 照明實現的最佳室內條件下，我們可以獲得令人驚嘆的結果。
位于日本多賀城的 Mirai 垂直生菜農場就是一個廣泛提及的實例（圖 2）。這個 25,000 平方英尺的設施位于前索尼制造工廠的無塵室中，自 2015 年以來，每天收獲數千株生菜以及其他植物。它使用 17,500 個 LED 燈實現了這個目標，在無菌環境中，沒有使用殺蟲劑，用水量僅為正常條件的 1/50，食物廢物量也減少了 40%。
圖 2：Mirai 垂直農場是全球第二大垂直農場，也是首批投入運營的垂直農場之一。（圖片來源：National Geographic）
有意思的是，LED 的多功能性或許是它在室內種植方面具備的最獨特的主要優勢之一，但同時也讓實現基于 LED 的室內種植變得更加復雜。例如，由于它們是可調光的，因此驅動器必須包括這種功能。另外，要提供適合植物的波長，還需要掌握有關 LED 復雜規格的知識。
LED 是一種固態裝置，需要注意簡單的“燈泡”所不要求的諸多因素，例如可靠的快斷式過載保護、二極管與控制電路的精確匹配等。幸運的是，園藝學（尤其是垂直種植）的快速發展給照明元器件制造商帶來了動力，促使他們專門針對此類應用開發完整的生態系統，包括參考設計、評估板以及涵蓋基礎到高級的技術文獻，讓設計人員的工作變得輕松多了。
一些種植者普遍存在的一種誤解是，LED 產生的熱量小于高壓鈉燈，但實際上只有當 LED 燈具在較低功率下工作時才是這樣。也就是說，600 瓦特的 LED 燈具和 600 瓦特的高壓鈉燈產生的熱量大致相等。兩者之間的差異在于產生了多少光能，以及從燈具輻射熱量的方式。
從高壓鈉燈光源發出的熱量可能達到 800°F 并向農作物輻射，而 LED 中的熱量位于二極管及其電子元件在印刷電路板上的貼裝位置，不會集中到植物上。這正是 LED 在垂直種植方面遠優于高壓鈉燈的主要原因，因為它們能夠放置在距離植物非常近的位置，而不會造成損害。
基于以上討論，選擇較低功率的 LED 是合情合理的選擇，近距離、多層應用通常便是這種情況。但是，大多數低功率 LED 具有固定的輻射角度，而高功率 LED 則提供從 80 至 150 度變化輻射角度。另外，要達到與高功率 LED 匹配的性能，需要的低功率 LED 數量要多得多。高功率 LED 通常最適合種植棚應用，在此應用中，它們憑借更大的輸出，能夠從一定的距離之外覆蓋廣闊的范圍。
但是，LED 燈具產生的熱量仍然存在，必須通過熱管理系統迅速從電路板耗散，否則 LED 的使用壽命將會縮短，完全失靈的情況也不罕見。主要冷卻方法包括帶有散熱器的被動冷卻燈具，或者使用風扇或水冷的主動冷卻燈具。后一種類型需要消耗能量，而且作為機械裝置，它們可能會失靈，導致 LED 過熱。
制造商指定的 LED 工作壽命通常至少達到 20,000 小時，最高可達 50,000 小時，其中工作壽命結束指的是亮度比原始值降低 70%。LED 照明系統設計人員的目標是確保 LED 達到額定工作壽命，同時通過穩定輸入電壓和電流，長時間保持最大的輸出。這個目標要依靠電源才能達到，特別是 LED 驅動器，需要持續從溫度傳感器采集數據，并且執行調整以保持最佳性能。為了補充這些功能，需要能夠實時測量光源的亮度，并將信息再次饋送到驅動器。為實現此目標，光譜傳感器是最具性價比且復雜度最低的方法。
例如，ams 提供了光譜傳感器系列，用于實時測量 LED 的實際光譜輪廓，直接控制 LED 驅動器以調節輸出，直至它與指定的色度和強度目標值相匹配。AS7263-BLGT 型號具有六個獨立的濾光片，其光譜響應被量身定制為 600 至 870 nm 范圍內（圖 3），而 AS7262-BLGT 則覆蓋 450 至 650 nm 范圍。通過配合使用，可以在燈具內部或直接在植物級別精確地監控各個 LED。通信是采用基于文本的消息，通過 UART 或 I2C 提供。總之，這些傳感器結合其他功能，能夠讓 LED 的工作壽命得到優化，同時實現趨勢分析和其他分析。
圖 3：AS7263-BLGT 光傳感器對介于 450 至 650 nm 的波長非常敏感。因此它屬于光譜傳感器系列，可用于實時測量 LED 的光譜輪廓，直接控制 LED 驅動器以調節輸出，直至它與指定的色度和強度目標值相匹配。（圖片來源：ams）
大多數應用都要求為 LED 燈串饋入恒流電源，而在長燈串中進行這種設計可能具有一定的挑戰性。電路保護要依賴于控制系統內的多個元器件，因為從 LED 到無源和有源元器件的整個控制電路必須受到瞬態保護。主要的過壓保護器件是位于 AC 輸入端的金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)，它能提供高級別的瞬態電壓抑制，并且減少環波效應導致的應力。它吸收可能具有破壞性的能量，并將其作為熱量散發，從而幫助保護元器件。LED 燈串驅動器電路通常包括一個正溫度系數 (PTC) 電阻器，用于防止 LED 出現過流和超溫，還包括一個用于過壓保護的并行瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管。線性整流電路應該在輸出上包含高壓直流保險絲，用以提供二次保護。另外建議添加與 LED 串聯的自恢復保險絲，以防止熱擊穿。
另一個注意事項是，室內種植通常需要相對較高的環境溫度和高濕度，以促進植物生長，因此照明系統必須能夠在這種環境下工作。另外，其他應用中使用的燈具在整個工作壽命中都保持在同一位置，與它們不同，在垂直農場應用中，燈具設計為可以抬升、下降或重新定位，以優化植物生長。這會影響它們的接線要求，UL 8000 標準對這些要求做出了詳細規定。
驅動器主要有兩種類型，分別是使用低壓直流輸入電源和高壓交流電源的驅動器。例如，Microchip Technology 的 CL88030-E/MF 設計用于直接從 120、230 或 277 VAC 電源驅動一長串低電流 LED。典型應用包括驅動器 IC、四個電源 FET、四個電阻器、兩個電容器和一個橋式整流器。同時提供過熱保護，可隨著溫度升高逐漸減少光輸出和電源調整率。使用 NTC 熱敏電阻有助于實現額外的過熱保護功能（圖 4）。
圖 4：Microchip Technology 的 CL88030-E/MF 型順序線性驅動器的應用電路顯示了該器件以及使用 MOV 的保護電路。（圖片來源：Microchip Technology）
能夠串聯的 LED 數量取決于驅動器、輸入電壓、電氣法規和安全標準。由于只需使用單個驅動器，而且通過每個 LED 的電流相等，因此有利于串聯放置 LED。但是，它會導致高輸出電壓，因而需要更大的電路元器件，還可能需要滿足更多安全標準。
串聯-并聯陣列的輸入電壓較低，并可減少發生電擊的機會。如果某個 LED 支路發生故障，則其他支路將會繼續工作，單個 LED 的故障不會讓整個陣列停止工作。也就是說，該驅動器是恒流電源，因此將迫使更多的電流進入工作器件，有可能導致過熱。串聯-并聯陣列也不允許 LED 均等共享驅動電流，除非 LED 的正向電壓非常接近。
這些問題的一個解決方法是為每個 LED 燈串使用驅動器，這樣可以提供最高的可靠性，但也會增加成本和尺寸。使用這種方法，即使有多個 LED 燈串出現故障，也可以實現一些光輸出。
在學術界和行業內部，對于光譜介于 280 至 385 nm 之間的紫外線“B”(UV-B) 非可見光部分的 LED 能否用于種植植物的問題，一直眾說紛紜。紫外線通常被認為不太適合室內種植，因為它在光合有效波長的范圍之外。因此，直到大約 15 年前，人們才在這個問題上展開了少量研究。
人們對這一光譜區域不太感興趣的另一個因素是安全性：眾所周知，UV-B 光子會導致人體和植物的細胞受損。事實上，照明設備制造商采取了很多措施，大幅減少了設備發射的紫外線。因此，要在室內種植中采用紫外線，就需要為照射范圍內的每個人采取全面的保護措施。
垂直種植行業和農業領域普遍感興趣的一個問題是植物對 UV-B 光的反應，它會導致植物激活自身的防御機制，防止遭受這些波長光線的損害。研究表明，一些植物如果暴露在 UV-B 光下，可能會產生 15 種不同的防御蛋白。其中一些蛋白會影響植物的氣味、顏色和味道以及抗病能力，而這些蛋白是其他波長不會產生的。
隨著 UV-B 特異光受體 (UVR8) 在 21 世紀初被發現，并在 2011 年被定性，我們在這個爭論不休的問題上終于看到了一線曙光。我們目前還沒有明確了解 UVR8 控制基因表達的機制，也不知道 UVR8 通路的工作原理，以及如何與處于其他光受體控制下的其他通路發生交互。
但是，科學文獻已經指出了 UV-B 光帶來的諸多潛在益處，包括減少外延生長、增加葉片厚度和蠟質、優化紅葉生菜和其他一些植物的葉片顯色、對病原體和昆蟲具有很強抵抗力、將保質期提高一倍、增加有利的抗氧化劑和類黃酮的生產、提高水果和蔬菜的營養價值。
要確定這些益處是否確實存在，是否值得投入大量的時間、設備和培訓在室內種植中使用 UV-B 光照并確保安全性，我們仍然還有很多研究工作要做。在此期間，市場上已經推出了面向其他應用的 UV LED，例如 RayVio Model 的 RVXR-280-SB-073105 UV LED 星形板，光譜波長為 280 nm。
LED 帶來了靈活性，但伴隨而來的挑戰也遠超出使用像高壓鈉燈這樣相對簡單的光源。盡管如此，它讓我們能夠在更小的空間內種植更多植物，無需化學品，減少甚至杜絕土壤的使用，同時增加蔬菜的營養價值，改善植物的開花情況，這些優點都具有極大的吸引力。因此，照明和半導體元器件行業正在利用得到廣泛支持的解決方案來簡化 LED 照明應用，同時還在不斷改進這項技術。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 在物聯網設計中添加安
