本文介绍了LED在室内种植中的作用，讨论了它们带来的挑战，并给出了一些使用建议。此外，还提供了适合室内种植应用的LED和相关元件的示例，这些产品来自多家公司，包括欧司朗、LuminousDevices、WrthElektronik、ams、RayVio和MicrochipTechnology。最后，本文还介绍了紫外光谱利用的最新发展以及对LED照明系统优化的其他要求。
不断发展的LED农业生态系统
由于消费照明市场规模巨大，为厂商提供了更快推动先进技术发展的动力，室内种植有可能实现从高压钠灯等光源向LED的迁移。因此，近年来，led的多样性、性能和可靠性得到了显著提高，而成本却大大降低。例如，欧司朗的GHCS8PM1.24-4T2U-1产品使用646至666纳米(nm)(红色)的光谱范围，发射功率为425毫瓦(mW)，效率为59%，辐射角为80。
LuminousDevices的SST-10-B产品，波长450nm(蓝色)，最小发射功率510mW，效率57%。辐射角可以指定为90或130。WrthElektronik的园艺LED包括型号为150353GS74500的525nm(绿色)器件，辐射角为125。这些和其他制造商还提供适合室内种植的其他波长的led，从而覆盖了种植所需的整个光谱(图1)。
室内植物种植跨越了许多学科，从植物到种植和土壤科学，再到作物管理，现在还涉及到电子监测和控制系统。在这种环境下引入新的光源既有挑战性又有回报，因为新的发现很快就会出现。在使用LED照明的最佳室内条件下，我们可以获得惊人的效果。
日本德川的Mirai未来组合垂直生菜农场是一个被广泛提及的例子(图2)。这个25，000平方英尺的设施位于前索尼制造工厂的洁净室中。自2015年以来，每天都有成千上万的生菜和其他植物被收割。它使用了17，500个LED灯来实现这一目标。在无菌环境下，不使用农药，用水量仅为正常条件的1/50，食物浪费量也减少了40%。
多功能性带来的挑战
有趣的是，LED的多功能性可能是其在室内种植中最独特的主要优势之一，但这也使得基于LED实现室内种植变得更加复杂。例如，因为它们是可调光的，所以驱动程序必须包括这个功能。另外，为了提供适合植物的波长，需要掌握关于LED复杂规格的知识。
LED是固态器件，需要注意很多简单的“灯泡”所不要求的因素，比如可靠的速断过载保护、二极管与控制电路的精确匹配等。幸运的是，园艺(尤其是垂直种植)的快速发展为照明组件制造商带来了动力，促使他们专门为此类应用开发完整的生态系统，包括参考设计、评估板和涵盖基础到高级水平的技术文档，使设计师的工作变得容易得多。
一些种植者普遍的误解是，LED产生的热量比高压钠灯少，但实际上这只是在LED灯工作在较低功率时的情况。换句话说，600瓦的LED灯和600瓦的高压钠灯产生的热量大致相同。两者的区别在于产生多少光能，灯具如何散热。
高压钠灯光源发出的热量可能达到800F并辐射到农作物上，而LED中的热量位于印刷电路板上二极管及其电子元件的安装位置，不会集中到植物上。这也是led在垂直种植上远远优于高压钠灯的主要原因，因为它可以放在离植物非常近的地方而不会造成伤害。
基于上述讨论，选择较低功率的LED是合理的选择，在短距离和多层应用中通常是这样。然而，大多数低功率led具有固定的辐射角，而高功率led提供从80到150度变化的辐射角。此外，要实现与大功率led的性能匹配，小功率led的数量要多得多。高功率led通常最适合种植棚应用，在这种应用中，它们可以在一定距离内以更大的输出覆盖广泛的范围。
但是LED灯产生的热量还是存在的，必须通过热管理系统快速从电路板上散发出去，否则LED的使用寿命会缩短，完全失效的情况也并不少见。主要的冷却方式包括带散热器的被动冷却灯，或带风扇或水冷的主动冷却灯。后一种类型消耗能量，作为机械设备，它们可能会出现故障，导致LED过热。
优化工作寿命
厂家规定的LED工作寿命通常最少20000小时，最多50000小时，其中工作寿命的结束意味着亮度比原来低70%。LED照明系统设计者的目标是确保LED达到额定工作寿命，同时通过稳定输入电压和电流来长时间保持最大输出。这一目标只能通过电源来实现，尤其是LED驱动器，它需要不断收集温度传感器的数据，并进行调整，以保持最佳性能。为了补充这些功能，需要实时测量光源的亮度，并将信息再次反馈给驾驶员。为了实现这一目标，光谱传感器是最具成本效益和最不复杂的方法。
例如，ams提供了一系列光谱传感器来实时测量LED的实际光谱轮廓，并直接控制LED驱动器来调整输出，直到它与指定的色度和强度目标值相匹配。AS7263-BLGT型号有六个独立的滤波器，其光谱响应适合600至870纳米范围(图3)，而AS7262-BLGT覆盖450至650纳米范围。通过相互配合，每个LED都可以在灯具内部进行精确监控，或者直接在工厂层面进行监控。通过UART或IC使用基于文本的消息提供通信。总之，这些传感器结合其他功能，可以优化LED的工作寿命，实现趋势分析等分析。
电路保护
大多数应用需要为LED灯串提供恒流电源，但在长灯串中进行设计可能具有挑战性。电路保护取决于控制系统中的多个元件，因为从LED到无源和有源元件的整个控制电路都必须受到瞬态保护。主要的过压保护器件是位于交流输入端的金属氧化物变阻器(MOV ),它可以提供高水平的瞬态电压抑制，并降低由振铃波效应引起的应力。它吸收潜在的破坏性能量并以热的形式释放出来，从而有助于保护部件。LED串驱动器电路通常包括一个正温度系数(PTC)电阻，用于防止LED过流和过热，还包括一个并联瞬态电压抑制(TVS)二极管，用于过压保护。线性整流器电路应在输出端包括一个高压DC保险丝，以提供二级保护。此外，建议增加一个与LED串联的自恢复保险丝，以防止热击穿。
另外需要注意的是，室内种植通常需要相对较高的环境温度和较高的湿度来促进植物生长，因此照明系统必须能够在这种环境下工作。此外，不同于在其他应用中使用的灯，这些灯在其整个工作寿命中保持在相同的位置，在垂直农场应用中，灯被设计为被提升、降低或重新定位以优化植物生长。这将影响它们的布线要求，UL8000标准对此有详细说明。
驾驶注意事项
驱动器主要有两种类型，一种是使用低压DC输入电源的驱动器，另一种是使用高压交流电源的驱动器。例如，MicrochipTechnology的CL88030-E/MF旨在直接从120、230或277VAC电源驱动一长串低电流led。典型应用包括驱动器IC、四个功率fet、四个电阻、两个电容和一个桥式整流器。同时提供过热保护，可以随着温度的升高逐渐降低光输出和电源调节率。NTC热敏电阻的使用有助于实现额外的过热保护功能(图4)。
可以串联的led数量取决于驱动器、输入电压、电气规定和安全标准。因为只需要单个驱动器，并且通过每个LED的电流相等，所以串联放置LED是有益的。然而，这将导致高输出电压，从而需要更大的电路元件，并可能满足更多的安全标准。
串并联阵列的输入电压低，可以减少触电的机会。如果一个LED分支发生故障，其他分支将继续工作，并且单个LED的故障不会停止整个阵列的工作。换句话说，驱动器是一个恒流电源，所以它会迫使更多的电流进入工作设备，这可能会导致过热。串并联阵列也不允许led平均分配驱动电流，除非led的直流电压非常接近。
这些问题的一个解决方案是为每个LED串使用驱动器，这可以提供最高的可靠性，但是也会增加成本和尺寸。使用这种方法，即使多个LED灯串出现故障，也可以实现一些光输出。
紫外线照明问题
对于光谱在280-385nm之间的紫外线“B”(UV-B)的不可见部分的LED是否可以用于种植植物，学术界和工业界一直有不同的意见。紫外光一般被认为不适合室内种植，因为它在光合有效波长范围之外。因此，直到大约15年前，人们才开始对这个问题进行少量的研究。
人们对这个光谱区不感兴趣的另一个因素是安全性：众所周知，UV-B光子会对人体和植物细胞造成损伤。事实上，照明设备制造商已经采取了许多措施来大大减少设备发出的紫外线。因此，为了在室内种植中使用紫外线，需要对照射范围内的每个人采取全面的防护措施。
垂直种植业和农业普遍感兴趣的一个问题是植物对UV-B光的反应，这将导致植物激活自身的防御机制，防止它们受到这些波长的光的损害。研究表明，如果暴露在UV-B光下，一些植物可能会产生15种不同的防御蛋白。其中一些蛋白质会影响植物的气味、颜色、味道和抗病性，但这些蛋白质在其他波长下不会产生。
随着21世纪初UV-B特异性光感受器(UVR8)的发现及其在2011年的表征，我们终于在这个有争议的问题上看到了一线曙光。目前，我们还没有清楚地了解UVR8控制基因表达的机制，也不知道UVR8通路的工作原理以及在其他光感受器的控制下如何与其他通路相互作用。
然而，科学文献已经指出了UV-B光带来的许多潜在好处，包括减少外延生长，增加叶片厚度和蜡质，优化红叶莴苣和其他植物的叶色，对病原体和昆虫具有很强的抵抗力，延长保质期一倍，增加有益的抗氧化剂和类黄酮的产生，提高水果和蔬菜的营养价值。
我们仍然有大量的研究工作要做，以确定这些好处是否真的存在，以及是否值得投入大量的时间、设备和培训来在室内种植中使用UV-B照明并确保安全。在此期间，市场上已经推出了其他应用的UVLED，如RayVioModel的RVXR-280-SB-073105UVLED星盘，光谱波长为280nm。
摘要
LED带来了灵活性，但随之而来的挑战远远超出了使用高压钠灯这样相对简单的光源。尽管如此，它允许我们在更小的空间里种植更多的植物，不使用化学物质，减少甚至消除土壤的使用，同时增加蔬菜的营养价值，改善植物的开花。这些优点有很大的吸引力。因此，照明和半导体元件行业正在使用广泛支持的解决方案来简化LED照明应用，同时不断改进这项技术。
标签：LED植物工作