固态LED照明技术在园艺方面的应用

发光二极管（LED）照明的出现重塑了照明业务。由于LED灯的节能和长寿命特性，LED灯不仅成为传统白炽灯泡的事实上的替代灯，而且还开辟了许多新的用例。它们的尺寸一直是关键考虑因素，它们在物理上比玻璃灯泡更坚固。由于不断增加的电费，他们已经在家中找到了应用。许多国家政府组织已实施消费者活动，逐步淘汰消耗过多电力的灯泡，以加快采用更节能的照明。随着LED已经被消费者和工业应用所接受，它们的开发也在不断发展。优化和制造LED以发出特定波长的光的能力是最近的一项创新，引起了园艺界的极大兴趣。

在LED照明之前，有很多研究其他照明技术用于室内园艺应用。这项工作着眼于光波长和植物生长之间的复杂关系，建立了光生物学，生物化学和植物生理生理学的研究。由于LED具有节能特性，尺寸更小，驱动方式简单，因此LED很快成为生长灯的理想选择。相比之下，传统的生长照明方法不仅能源效率低得多，而且还产生大量过剩的热量，从而增加了温室内气候控制的需求。

许多光生物学研究已经确定并且重点关注植物对不同光波长的响应，即所谓的光合有效辐射区域（PAR）。通常，就光合作用响应而言，产生最大生长的波长在400nm至700nm的范围内。已经鉴定出特定波长，其促进每个质子的大部分光合作用活性，而其他波长与控制发芽和开花有关。例如，650nm，橙红色，提供最高量的光合作用。园艺研究中心，种植者和照明制造商之间的合作研究正在为建立标准铺平道路，这些标准将植物生长的不同阶段和不同植物作物的波长联系起来。此外，考虑到高湿度生长灯运行的环境条件，未来的标准将发展为增加光规格，操作和选择。该研究还指导LED制造商生产适合特定类型工厂的设备。不同的植物品种需要不同的光谱和强度，以便在整个生命周期中实现最佳生长。例如，450nm（深蓝色）光和660nm（超红色）光产生最佳的光合作用结果，730nm（远红色）通常用于控制植物发芽，而全光谱白光促进绿色生长。/p>

图1：来自欧司朗的OSLON系列LED发光器的光谱功率设计。

专门设计用于LED发光器的示例在园艺生长灯应用中，Osram的OSLON SSL系列提供450 nm（深蓝色），660 nm（超红色）和730 nm（远红色）的几种不同的园艺照明颜色。该系列采用坚固的3 mm x 3 mm耐腐蚀陶瓷封装，并具有多种辐射角度选项（80,120或150度），适用于灯具内的LED紧密聚集。陶瓷封装的最高工作温度为135°C，适用于大多数温室环境无需额外冷却的设计。它们的最大驱动电流为1 A.

该系列适用于各种不断增长的安装，如架空照明，机架照明和多层增长。它们可以作为光源的唯一光源，没有任何自然光，也可以作为补充。

在相同封装尺寸下构建的各种波长LED的可用性为固态增长照明制造商提供了机会构建具有不同波长比的灯具，而无需显着改变PCB或灯具设计。而且，具有不同辐射角的LED的可用性可以消除设计透镜以提供给定光束角度的需要。这不仅可以设计更简单的灯具，而且还可以使用竞争技术的灯具重量的一小部分。

在许多行业中，缩小最终产品的规模是一项持续的挑战。对于种植方法的多样性正在增加的园艺照明应用也是如此。消费者对创建本地的，可持续的，为期一年的室内种植方法更感兴趣，例如使用垂直多个架子以在最小的空间内最大化作物产量。该驱动器正在进一步减小该市场种植灯具的尺寸。 LED制造商Cree提供其XLAMP XQ系列1.6 mm x 1.6 mm发光器，有助于设计最小和最高密度的灯具。该系列有白色，宝蓝色和红色可供选择，也可作为高强度或高密度设备。一个例子，如图2所示，是Cree XLAMP XQ-E红色发射器。这种高密度LED发出波长为625 nm的光，辐射角为130度。高密度器件提供设计灵活性，无需牺牲流明输出或可靠性，使制造商能够降低灯具尺寸，同时保持与3.5 x 3.5 mm LED类似的性能特性。

高强度发射器版本利用整体光学元件，有助于从极其紧凑的占地面积中提供最大的辐射通量。

图2：Cree的高密度和高强度XLAMP XQ系列。

对于采用流行的3.45 mm占位面积的设计，Cree XP和XT系列提供具有高流明和超高可靠性的变体。 XT-E L04是皇家蓝（453 nm）器件的一个例子，其辐射角为140度。图3显示了其空间分布曲线，其中辐射强度相对于视角绘制。

图3：Cree XT-E皇家蓝的空间分布。

白色高效发射器的一个例子是Cree XLAMP XT-E 4500 K中性白色发射器。图4显示了XT-E白色系列器件的典型光谱功率分布。该系列的3.45 mm x 3.45 mm占地面积适用于已建立的灯具零件和PCB生态系统，可帮助制造商简化设计流程并加快产品上市速度。

图4：XT-E系列白光LED的光谱功率分布。

帮助设计工程师面对开发园艺照明应用， Cree提供了上述产品组合的入门指南。这包括两个灯具参考设计，展示了使用Cree LED产品系列的可能性。第一个是小型轻型线性灯具，以最高功率提供高达311 umol/s的速度。第二种设计突出了一种更高功率的灯具，与工业1 kW高压钠灯（HPS）相比，其设计可提供类似的输出。相比之下，LED设计产生相当水平的光合光子通量密度，功率的一半（553瓦）。此外，HPS灯的寿命通常为10,000小时，而Cree LED参考设计寿命超过90,000小时。此外，固态LED生长灯背后的概念是，由于它们包括单独的LED发射器，因此可以设计满足特定工厂所需的最佳光谱性能的灯具。这不是HPS灯的情况，因为不可能调节灯的光谱输出。

图5显示了1 kW HPS灯和Cree参考设计对McCree的光谱密度输出最佳光合作用响应的园艺研究曲线。

图5：比较参考设计，HPS灯和麦克里曲线的光谱输出。

另一家专为园艺应用而设计的LED供应商是LED Engin。其LZ1系列产品包括LZ1-00R202，一种660 nm深红色发光体，功率为2.6 um/s，功耗为2.6 umol/s，采用表面贴装陶瓷封装，尺寸为4.4 mm x 4.4 mm。这种坚固的设备适合高环境温度和高湿度的应用。最大驱动电流可达1.2 A。

为固态LED灯具供电需要恒流驱动器，如Cree LMD800。输入电压范围为120 VAC至277 VAC，可提供高达2 A的恒定电流输出，输出电压范围为28 VDC至54 VDC。包括0至10 VDC模拟调光功能。在25°C的环境室温下，预计的使用寿命为50,000小时。安装螺柱提供了将104瓦驱动器直接连接到灯具或其支撑结构的方法。该装置的防护等级为IP20。

另一个LED驱动器示例是CUI的VLED15-120-1250。该恒流驱动器提供1.25安培的最大输出电流和8至12 VDC的输出电压。对于那些需要更多功率的应用，台达电子最近推出了一款320瓦的外部驱动单元，即LNE-12V320WDAA。该电源适用于90 VAC至305 VAC的通用宽输入电压，提供12 VDC输出，最大输出功率为22.5安培。

有许多LED驱动器模块供应商可以提供帮助制造商选择第二源产品。示例包括CUI，TDK-Lambda和XP Power。在选择适合用于园艺应用的驱动器时，设计工程师应该检查供电所需的环境特性，以及所需的电气参数。这包括潮湿和流体进入，这些情况很可能在许多不断增长的应用中遇到。此外，还需要决定电源是单独封装还是在PCB上封装，还是外部安装。此外，对于设计用于无人值守操作的许多增长照明系统，从主计算机控制驱动器单元的能力将是有益的特征，使得系统集成成为更直接的任务。所有这些因素都需要仔细考虑。

结论

当我们寻找更有创意的方式养活地球不断增长的人口时，园艺发现自己处于植物和作物的前沿研究。无论是用于研究目的还是商业作物生产，固态LED照明技术的使用变得至关重要。利用这种节能光源，除了提高作物产量外，种植者还可以节省资金。

过去三十年来人工光源的使用及其对植物生长的影响已有很多研究，但只有最近LED技术的创新才能实现具有成本效益的增长照明。特别是，实现紧凑型发射器的高流明输出以及能够调节光谱输出，这一点至关重要。

通过这些创新，园艺业现在正在推进家庭和社区的微型种植项目。除传统的大规模温室作物生产外。