EUR | USD

Optimaliseren van led-verlichtingsontwerpen voor binnenteelt

By Barry Manz

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

De binnenteelt profiteert steeds meer van de vele voordelen van led-verlichting en niet zonder reden. Leds zijn klein en licht, gaan minstens tien keer zo lang mee als andere lichtbronnen, verbruiken nauwelijks stroom, zijn zeer efficiënt, kunnen verschillende spectrale golflengtes produceren en zijn compatibel met digitale besturingssystemen. Het ontwerpen en optimaliseren van de prestaties van een led-verlichtingssysteem is echter een complexe onderneming. Zo moet er aandacht geschonken worden aan veel meer parameters dan bij de relatief eenvoudige voorgangers, zoals hogedruknatriumlampen (HPS).

Dit artikel beschrijft de rol van leds voor de binnenteelt, bespreekt de uitdagingen die ze met zich meebrengen en geeft aanbevelingen voor het gebruik van leds. Ook worden er voorbeelden gegeven van bedrijven die leds en bijbehorende componenten voor binnenteelttoepassingen leveren, zoals OSRAM, Luminus Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio en Microchip Technology. Tot slot worden recente ontwikkelingen besproken in het gebruik van het UV-spectrum evenals andere vereisten voor het optimaliseren van led-verlichtingssystemen.

Het groeiende LED-landbouwecosysteem

De overgang van HPS en andere lichtbronnen naar leds voor binnenteelt is mogelijk gemaakt dankzij de enorme markt voor consumentenverlichting, wat de stimulans is geweest die de techniek sneller vooruit heeft geholpen. Als gevolg hiervan zijn variëteit, prestaties, betrouwbaarheid en kosten van leds de afgelopen jaren enorm verbeterd. Zo heeft de GH CS8PM1.24-4T2U-1 van OSRAM bijvoorbeeld een centrale golflengte van 646 tot 666 nanometer (nm) (rood), een stralingsvermogen van 425 milliwatt (mW) met een efficiëntie van 59% en een stralingshoek van 80˚.

De SST-10-B van Luminus Devices heeft een centrale golflengte van 450 nm (blauw) en levert een minimaal stralingsvermogen van 510 mW met een efficiëntie van 57%. De stralingshoek kan worden gespecificeerd als 90° of 130°. De tuinbouw-leds van Würth Elektronik omvatten de 150353GS74500 met een golflengte van 525 nm (groen) en een kijkhoek van 125˚. Deze en andere fabrikanten maken ook leds met andere golflengtes voor binnenboerderijen die het volledige spectrum produceren wat nodig is voor plantengroei (Afbeelding 1).

Grafiek van absorptiespectra van de pigmenten die worden gebruikt voor fotosyntheseAfbeelding 1: De absorptiespectra van de pigmenten die voor fotosynthese worden gebruikt, zijn over het hele zichtbare spectrum van ongeveer 400 tot 700 nm verspreid. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Het binnen kweken van planten omvat verschillende wetenschappelijke disciplines, zoals botanie, plant- en bodemkunde, gewasbeheer en nu elektronische monitoring- en controlesystemen. De introductie van een nieuwe lichtbron in deze industrie is zowel uitdagend als lonend omdat er in een snel tempo nieuwe ontdekkingen worden gedaan. Onder de optimale omstandigheden die binnen met behulp van led-verlichting worden bereikt, kunnen werkelijk verbluffende resultaten worden verkregen.

Een veel aangehaald voorbeeld is de Mirai verticale slaboerderij in de Japanse stad Tagajo (Afbeelding 2). In deze faciliteit die circa 2300 m2 beslaat en in de cleanrooms van een voormalige Sony-fabriek is gevestigd, worden sinds 2015 dagelijks duizenden kroppen sla en andere planten geoogst. Dit gebeurt in een bacterievrije omgeving zonder gebruik van pesticiden, met 17.500 leds, 1/50 van het normale waterverbruik en 40% minder voedselverspilling.

Afbeelding van de Mirai verticale boerderijAfbeelding 2: De verticale boerderij in Mirai is de op één na grootste ter wereld en één van de eerste die operationeel is. (Bron afbeelding: National Geographic)

Veelzijdigheid komt met uitdagingen

De veelzijdigheid van de led is één van de unieke en primaire voordelen voor de binnenteelt, maar ironisch genoeg maakt dit het ook moeilijker om een ​​led-binnenboerderij te implementeren. Zo zijn leds bijvoorbeeld dimbaar, dus moeten hun drivers deze capaciteit bezitten. Ook vereist het werken met plantspecifieke golflengtes kennis van de complexere led-specificaties.

Leds zijn halfgeleiders en vergen daarom aandacht voor andere factoren dan 'gloeilampen'. Denk hierbij aan een betrouwbare en snelwerkende overbelastingbeveiliging en nauwkeurige afstemming van de diode op het regelcircuit. Gelukkig heeft de snelle groei van de tuinbouw, met name de verticale landbouw, fabrikanten van verlichtingscomponenten gestimuleerd om volledige ecosystemen voor deze toepassing te ontwikkelen, inclusief referentieontwerp, evaluatieboard en technische literatuur, van eenvoudig tot geavanceerd, wat het werk van de ontwerper enorm heeft vereenvoudigd.

Een bekende misvatting onder sommige telers is dat leds minder warmte produceren dan HPS-armaturen, maar dit is alleen waar als de led-armatuur op een lager wattage wordt aangestuurd. Een led-armatuur van 600 watt en een HPS-lichtbron van 600 watt produceren namelijk ongeveer dezelfde hoeveelheid warmte. Het verschil is de hoeveelheid licht die wordt geproduceerd en hoe de warmte door het armatuur wordt uitgestraald.

Warmte van HPS-lichtbronnen kan wel 800 °F bereiken en straalt uit naar het gewas, terwijl de warmte van leds zich beperkt tot de plaats waar de diode en andere elektronica op de pc-kaart zijn gemonteerd en niet op de plant gericht is. Dit is één van de belangrijkste redenen waarom leds zoveel beter zijn dan HPS voor verticale landbouw. Ze kunnen namelijk heel dicht bij de planten worden geplaatst zonder schade aan te richten.

De logische keuze op basis van het bovenstaande zou zijn om low-power leds te kiezen, en voor close-in, meerlagige toepassingen is dit meestal inderdaad het geval. De meeste low-power leds hebben echter een vaste stralingshoek, terwijl high-power leds verkrijgbaar zijn met een stralingshoek in stappen van 80 tot 150 graden. Bovendien zijn er veel meer low-power leds nodig om de prestaties van een high-power led te evenaren. High-power leds zijn vaak het best geschikt voor canopy-toepassingen waarbij hun grotere output een breder gebied op afstand dekt.

Niettemin is de warmte die door de led-armatuur wordt gegenereerd nog steeds aanwezig en moet snel van de printplaat worden verwijderd door middel van een thermisch managementsysteem. Als dit niet gebeurt, neemt de levensduur van de leds aanzienlijk af en is een algehele storing niet ongewoon. De belangrijkste koelmethoden zijn passieve armaturen met koellichamen en actief gekoelde armaturen die ventilatoren of water gebruiken. Deze laatste methoden verbruiken energie en kunnen mechanisch falen, wat leidt tot oververhitting van de led.

Optimaliseren van de levensduur

Leds hebben doorgaans een door de fabrikant gespecificeerde levensduur van ten minste 20.000 uur en vaak tot 50.000 uur, waarbij het einde van de levensduur wordt gedefinieerd als een vermindering van de helderheid met 70% ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Het doel van de ontwerper van een led-verlichtingssysteem is ervoor zorgen dat leds hun nominale levensduur bereiken én hun grootste output behouden door de ingangsspanning en -stroom te stabiliseren. Dit is de taak van de voeding, of eigenlijk de led-driver, die continu meetgegevens van temperatuursensoren ontvangt en wijzigingen uitvoert om optimale prestaties te behouden. Ook is het wenselijk om de helderheid van de lichtbronnen in realtime te meten en de nieuwe waarden aan de driver door te geven. Spectrale sensoren zijn de voordeligste en minst complexe manier om dit te bereiken.

Zo maakt ams bijvoorbeeld een serie spectrale sensoren die het ware spectrale profiel van leds in realtime meten en via een led-driver rechtstreeks de output aanpassen totdat deze overeenkomt met de opgegeven doelwaarden voor chromaticiteit (kleurkwaliteit) en intensiteit. De AS7263-BLGT bevat zes onafhankelijke optische filters waarvan de spectrale respons is afgestemd op een bereik van 600 tot 870 nm (Afbeelding 3), terwijl de AS7262-BLGT golflengtes van 450 tot 650 nm bestrijkt. Samen bieden ze de mogelijkheid om individuele leds nauwkeurig te monitoren, hetzij in een armatuur of direct op plantniveau. Communicatie wordt geleverd door middel van tekstberichten via UART of via I²C. Deze sensoren en andere functies zorgen er samen voor dat de led-levensduur wordt geoptimaliseerd en maken tegelijkertijd trend- en andere analyses mogelijk.

Diagram van de ams AS7263-BLGT lichtsensorAfbeelding 3: De AS7263-BLGT lichtsensor van ams werkt bij golflengtes tussen 450 en 650 nm. Dit is een van een reeks spectrale sensoren die het spectrale profiel van leds in realtime meten en deze waarden rechtstreeks naar een led-driver sturen die de output vervolgens aanpast totdat deze overeenkomt met de opgegeven doelwaarden voor chromaticiteit en intensiteit. (Bron afbeelding: ams)

Circuitbeveiliging

De meeste toepassingen vereisen dat led-strings worden gevoed door middel van een constante stroomvoorziening en het ontwerpen hiervan kan bij lange strings leds een hele uitdaging zijn. Circuitbeveiliging is afhankelijk van meerdere componenten binnen het besturingssysteem, omdat het gehele stuurcircuit van de led tot de passieve en actieve componenten tegen transiënten moet worden beschermd. Het primaire overspanningsbeveiligingsapparaat is een metaaloxidevaristor (MOV) aangesloten op de wisselspanningsingang die een hoog niveau van transiënte spanningsonderdrukking biedt evenals de stress die wordt veroorzaakt door ringgolfeffecten vermindert. Een MOV beschermt componenten door potentieel schadelijke energie te adsorberen en als warmte af te voeren. Een drivercircuit voor led-strings heeft meestal ook een PTC-weerstand (een weerstand met een positieve temperatuurcoëfficiënt) die de leds beschermt tegen overstroom en overtemperatuur evenals een parallelle TVS-diode (transient voltage suppression) voor overspanningsbeveiliging. Het netspanningsgelijkrichtercircuit moet een hoge spanning DC-zekering op de uitgang bevatten voor secundaire bescherming. Ook wordt aanbevolen om een ​​resetbare zekering in serie met de led te plaatsen om oververhitting te voorkomen.

Een andere overweging is dat binnenteelt doorgaans een relatief hoge omgevingstemperatuur en hoge luchtvochtigheid vereist om de plantengroei te bevorderen. Dit betekent dat het verlichtingssysteem in een dergelijke omgeving moet kunnen functioneren. Bovendien moeten armaturen in verticale boerderijen continu verhoogd, verlaagd of verplaatst worden om de plantengroei te optimaliseren, in tegenstelling tot andere toepassingen waarbij de armaturen hun hele levensduur op één plaats blijven. Dit heeft invloed op de bedradingsvereisten die zijn gedetailleerd in UL 8000.

Het kiezen van de beste driver

Er zijn twee soorten drivers: drivers met een lage DC-ingangsspanning en drivers die gebruik maken van een hoge AC-voedingsspanning. Als voorbeeld is de CL88030-E/MF van Microchip Technology ontworpen om een ​​lange string low-current leds rechtstreeks aan te sturen vanaf 120, 230 of 277 VAC. Een typische toepassing omvat de driver-IC, vier vermogens-FETs, vier weerstanden, twee condensators en een bruggelijkrichter. De overtemperatuurbeveiliging verlaagt de lichtopbrengst geleidelijk naarmate de temperatuur stijgt, samen met netspanningsregeling. Extra bescherming tegen te hoge temperaturen kan worden geïmplementeerd met een NTC-thermistor (Afbeelding 4).

Diagram van de CL88030-E/MF sequentiële lineaire driver van Microchip TechnologyAfbeelding 4: Een toepassingscircuit voor de CL88030-E/MF sequentiële lineaire driver van Microchip Technology toont het apparaat samen met een beveiligingsschakeling met een MOV. (Bron afbeelding: Microchip Technology)

Het aantal leds dat in serie kan worden geplaatst, is afhankelijk van de driver, de ingangsspanning en de elektrische voorschriften en veiligheidsnormen. Als leds in een enkele serieschakeling worden geplaatst, is er maar één driver nodig en krijgt elke led dezelfde stroom. Dit leidt echter tot een hoge uitgangsspanning en dus grotere circuitcomponenten, met mogelijk aanvullende veiligheidsnormen waar aan voldaan moet worden.

Een serie-parallelschakeling heeft een lagere ingangsspanning en vermindert de kans op elektrische schokken. Als één led-tak uitvalt, blijven de andere gewoon werken, en als één led uitvalt, gaat niet de hele schakeling uit. De driver is echter een constante stroombron, dus loopt er meer stroom door de werkende componenten met als gevolg mogelijke oververhitting. Ook wordt in een serie-parallelschakeling de stuurstroom niet gelijk verdeeld over de leds, tenzij de doorlaatspanningen van de leds nagenoeg gelijk zijn.

Eén manier om een aantal van deze problemen op te lossen, is om voor elke led-string een driver te gebruiken. Hoewel dit de hoogste betrouwbaarheid biedt, leidt dit tevens tot hogere kosten en grotere afmetingen. Met deze aanpak is er altijd wat licht, zelfs als meerdere led-strings uitvallen.

Ontwikkelingen in UV-verlichting

Er wordt in wetenschappelijke kringen en de industrie nog steeds veel gediscussieerd over het gebruik van ultraviolet-B (UV-B) leds voor het telen van planten. UV-B leds produceren licht in het niet-zichtbare spectrum tussen 280 en 385 nm. UV-licht wordt over het algemeen als minder interessant beschouwd voor de binnenteelt omdat het buiten de fotosynthetisch actieve golflengtes valt. Daarom werd tot zo’n 15 jaar geleden nauwelijks onderzoek naar dit onderwerp gedaan.

Een andere reden waarom er weinig interesse is in dit spectrale gebied, is de veiligheid: UV-B fotonen staan ​​erom bekend dat ze celbeschadiging veroorzaken bij mensen en planten. Verlichtingsfabrikanten nemen zelfs drastische maatregelen om de UV-straling van hun lampen te verlagen. Daarom zou voor het gebruik van UV voor de binnenteelt omvangrijke maatregelen moeten worden genomen om iedereen binnen het gebouw te beschermen.

Wat de interesse van zowel de verticale landbouwindustrie als de landbouw in het algemeen heeft gewekt, is de reactie van planten op UV-B-licht. De plant activeert namelijk afweermechanismen als bescherming tegen deze golflengtes. Studies hebben aangetoond dat sommige planten 15 verschillende resistentie-eiwitten kunnen produceren wanneer ze worden blootgesteld aan UV-B. Sommige van deze eiwitten beïnvloeden de geur, kleur, smaak en weerstand van een plant tegen ziektes wat niet bij andere golflengtes wordt waargenomen.

Dit omstreden onderwerp kwam in de spotlight toen begin jaren 2000 de UV-B-specifieke fotoreceptor (UVR8) werd ontdekt en later in 2011 gekarakteriseerd. De mechanismen waarmee UVR8 genexpressie reguleert, hoe de UVR8-route functioneert en hoe deze samenwerkt met andere routes en andere fotoreceptoren is nog niet helemaal duidelijk.

Niettemin zijn in de literatuur potentiële voordelen van UV-B-licht vastgesteld, variërend van verminderde lengtegroei, steviger blad en een dikkere waslaag, verbeterde bladkleuring in eikenbladsla en sommige andere planten, hoge weerstand tegen ziekteverwekkers en insecten, verdubbeling van de houdbaarheid, verhoogde productie van nuttige antioxidanten en flavonoïden en een hogere voedingswaarde in fruit en groenten.

Er is nog veel onderzoek nodig om te bepalen of al die beweerde voordelen waar zijn en of het gebruik van UV-B-verlichting voor binnenteelt de aanzienlijke investering in tijd, apparatuur en training om de veiligheid te waarborgen, waard is. Intussen zijn er specifieke UV-leds verkrijgbaar voor andere toepassingen, zoals de RVXR-280-SB-073105 starboard UV-led van RayVio met een spectrale golflengte van 280 nm.

Conclusie

Ondanks de flexibiliteit van leds brengt het gebruik veel meer uitdagingen met zich mee dan relatief eenvoudige lichtbronnen zoals HPS. Niettemin is de mogelijkheid om meer planten te kweken in minder ruimte, zonder chemicaliën en met veel minder (of geen) grond, terwijl de voedingswaarde van groenten en de bloei van planten verbetert, buitengewoon aantrekkelijk. Intussen doet de verlichtings- en halfgeleiderindustrie haar best de toepassing van led-verlichting te vereenvoudigen door goed ondersteunde oplossingen te bieden en tegelijkertijd de technologie te verbeteren.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Barry Manz

Oprichter van Manz Communications, Barry Manz schrijft al meer dan 27 jaar over elektronica. Hij biedt artikelen en alle andere soorten redactionele artikelen aan om zichtbaarheid te genereren voor bedrijven die een zeer technische boodschap willen overbrengen. Diensten omvatten technische, productgerelateerde meningen en artikelen van het applicatietype, gegevensbladen, brochures en ander onderpand, evenals catalogi.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key