室內(nèi)LED照明電路方案設(shè)計(jì)

1、 室內(nèi)led照明電路方案設(shè)計(jì) 本文介紹led在室內(nèi)種植中扮演的角色，討論它們帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并給出了一些使用建議。此外，還提供了適合室內(nèi)種植應(yīng)用的led和相關(guān)元器件的實(shí)例，它們來(lái)自多家公司，包括osram、luminousdevices、wrthelektronik、ams、rayvio和microchiptechnology。最后，本文還介紹uv光譜利用方面的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，以及l(fā)ed照明系統(tǒng)優(yōu)化方面的其他要求。不斷發(fā)展的led農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)由于消費(fèi)照明市場(chǎng)的規(guī)模非常龐大，為廠商提供了更快推動(dòng)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，而室內(nèi)種植正可能因此而實(shí)現(xiàn)了從高壓鈉燈和其他光源向led的遷移。因此，近年來(lái)led的多樣

2、性、性能和可靠性得到了顯著提升，同時(shí)成本卻大為減少。例如，osram的ghcs8pm1.24-4t2u-1型產(chǎn)品使用從646到666納米（nm）（紅色）光譜范圍，發(fā)射功率為425毫瓦（mw），效率達(dá)到59%，輻射角度為80。luminousdevices的sst-10-b型產(chǎn)品的波長(zhǎng)為450nm（藍(lán)色），最低發(fā)射功率為510mw，效率達(dá)到57%。輻射角度可以指定為90或130。wrthelektronik的園藝led包括150353gs74500型525nm（綠色）設(shè)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(nèi)種植的其他波長(zhǎng)的led，從而覆蓋種植業(yè)所需的整個(gè)光譜（圖1）。室內(nèi)植物

3、種植橫跨多個(gè)學(xué)科，從植物學(xué)到種植和土壤科學(xué)，再到作物管理，現(xiàn)在還涉及到電子監(jiān)視和控制系統(tǒng)。在這種環(huán)境中引入新光源，既具備一定的挑戰(zhàn)性，也能帶來(lái)回報(bào)，因?yàn)楹芸炀陀行碌陌l(fā)現(xiàn)。在使用led照明實(shí)現(xiàn)的最佳室內(nèi)條件下，我們可以獲得令人驚嘆的結(jié)果。位于日本多賀城的mirai垂直生菜農(nóng)場(chǎng)就是一個(gè)廣泛提及的實(shí)例（圖2）。這個(gè)25，000平方英尺的設(shè)施位于前索尼制造工廠的無(wú)塵室中，自2015年以來(lái)，每天收獲數(shù)千株生菜以及其他植物。它使用17，500個(gè)led燈實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，在無(wú)菌環(huán)境中，沒(méi)有使用殺蟲(chóng)劑，用水量?jī)H為正常條件的1/50，食物廢物量也減少了40%。多功能性伴隨的挑戰(zhàn)有意思的是，led的多功能性或許是它

4、在室內(nèi)種植方面具備的最獨(dú)特的主要優(yōu)勢(shì)之一，但同時(shí)也讓實(shí)現(xiàn)基于led的室內(nèi)種植變得更加復(fù)雜。例如，由于它們是可調(diào)光的，因此驅(qū)動(dòng)器必須包括這種功能。另外，要提供適合植物的波長(zhǎng)，還需要掌握有關(guān)led復(fù)雜規(guī)格的知識(shí)。led是一種固態(tài)裝置，需要注意簡(jiǎn)單的“燈泡”所不要求的諸多因素，例如可靠的快斷式過(guò)載保護(hù)、二極管與控制電路的精確匹配等。幸運(yùn)的是，園藝學(xué)（尤其是垂直種植）的快速發(fā)展給照明元器件制造商帶來(lái)了動(dòng)力，促使他們專門針對(duì)此類應(yīng)用開(kāi)發(fā)完整的生態(tài)系統(tǒng)，包括參考設(shè)計(jì)、評(píng)估板以及涵蓋基礎(chǔ)到高級(jí)的技術(shù)文獻(xiàn)，讓設(shè)計(jì)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(chǎn)生的熱量小于高壓鈉燈，但實(shí)際上只有

5、當(dāng)led燈具在較低功率下工作時(shí)才是這樣。也就是說(shuō)，600瓦特的led燈具和600瓦特的高壓鈉燈產(chǎn)生的熱量大致相等。兩者之間的差異在于產(chǎn)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(fā)出的熱量可能達(dá)到800f并向農(nóng)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(huì)集中到植物上。這正是led在垂直種植方面遠(yuǎn)優(yōu)于高壓鈉燈的主要原因，因?yàn)樗鼈兡軌蚍胖迷诰嚯x植物非常近的位置，而不會(huì)造成損害?；谝陨嫌懻?，選擇較低功率的led是合情合理的選擇，近距離、多層應(yīng)用通常便是這種情況。但是，大多數(shù)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。

6、另外，要達(dá)到與高功率led匹配的性能，需要的低功率led數(shù)量要多得多。高功率led通常最適合種植棚應(yīng)用，在此應(yīng)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(chǎn)生的熱量仍然存在，必須通過(guò)熱管理系統(tǒng)迅速?gòu)碾娐钒搴纳?，否則led的使用壽命將會(huì)縮短，完全失靈的情況也不罕見(jiàn)。主要冷卻方法包括帶有散熱器的被動(dòng)冷卻燈具，或者使用風(fēng)扇或水冷的主動(dòng)冷卻燈具。后一種類型需要消耗能量，而且作為機(jī)械裝置，它們可能會(huì)失靈，導(dǎo)致led過(guò)熱。優(yōu)化工作壽命制造商指定的led工作壽命通常至少達(dá)到20，000小時(shí)，最高可達(dá)50，000小時(shí)，其中工作壽命結(jié)束指的是亮度比原始值降低70%。led照明系

7、統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是確保led達(dá)到額定工作壽命，同時(shí)通過(guò)穩(wěn)定輸入電壓和電流，長(zhǎng)時(shí)間保持最大的輸出。這個(gè)目標(biāo)要依靠電源才能達(dá)到，特別是led驅(qū)動(dòng)器，需要持續(xù)從溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行調(diào)整以保持最佳性能。為了補(bǔ)充這些功能，需要能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量光源的亮度，并將信息再次饋送到驅(qū)動(dòng)器。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，光譜傳感器是最具性價(jià)比且復(fù)雜度最低的方法。例如，ams提供了光譜傳感器系列，用于實(shí)時(shí)測(cè)量led的實(shí)際光譜輪廓，直接控制led驅(qū)動(dòng)器以調(diào)節(jié)輸出，直至它與指定的色度和強(qiáng)度目標(biāo)值相匹配。as7263-blgt型號(hào)具有六個(gè)獨(dú)立的濾光片，其光譜響應(yīng)被量身定制為600至870nm范圍內(nèi)（圖3），而as7262-blgt則覆

8、蓋450至650nm范圍。通過(guò)配合使用，可以在燈具內(nèi)部或直接在植物級(jí)別精確地監(jiān)控各個(gè)led。通信是采用基于文本的消息，通過(guò)uart或ic提供?？傊?，這些傳感器結(jié)合其他功能，能夠讓led的工作壽命得到優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析和其他分析。電路保護(hù)大多數(shù)應(yīng)用都要求為led燈串饋入恒流電源，而在長(zhǎng)燈串中進(jìn)行這種設(shè)計(jì)可能具有一定的挑戰(zhàn)性。電路保護(hù)要依賴于控制系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)元器件，因?yàn)閺膌ed到無(wú)源和有源元器件的整個(gè)控制電路必須受到瞬態(tài)保護(hù)。主要的過(guò)壓保護(hù)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(jí)別的瞬態(tài)電壓抑制，并且減少環(huán)波效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力。它吸收可能具有破壞性的能量，并將其作為熱量散發(fā)

9、，從而幫助保護(hù)元器件。led燈串驅(qū)動(dòng)器電路通常包括一個(gè)正溫度系數(shù)（ptc）電阻器，用于防止led出現(xiàn)過(guò)流和超溫，還包括一個(gè)用于過(guò)壓保護(hù)的并行瞬態(tài)電壓抑制（tvs）二極管。線性整流電路應(yīng)該在輸出上包含高壓直流保險(xiǎn)絲，用以提供二次保護(hù)。另外建議添加與led串聯(lián)的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，以防止熱擊穿。另一個(gè)注意事項(xiàng)是，室內(nèi)種植通常需要相對(duì)較高的環(huán)境溫度和高濕度，以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，因此照明系統(tǒng)必須能夠在這種環(huán)境下工作。另外，其他應(yīng)用中使用的燈具在整個(gè)工作壽命中都保持在同一位置，與它們不同，在垂直農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用中，燈具設(shè)計(jì)為可以抬升、下降或重新定位，以優(yōu)化植物生長(zhǎng)。這會(huì)影響它們的接線要求，ul8000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些要求做出了

10、詳細(xì)規(guī)定。驅(qū)動(dòng)器注意事項(xiàng)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器。例如，microchiptechnology的cl88030-e/mf設(shè)計(jì)用于直接從120、230或277vac電源驅(qū)動(dòng)一長(zhǎng)串低電流led。典型應(yīng)用包括驅(qū)動(dòng)器ic、四個(gè)電源fet、四個(gè)電阻器、兩個(gè)電容器和一個(gè)橋式整流器。同時(shí)提供過(guò)熱保護(hù)，可隨著溫度升高逐漸減少光輸出和電源調(diào)整率。使用ntc熱敏電阻有助于實(shí)現(xiàn)額外的過(guò)熱保護(hù)功能（圖4）。能夠串聯(lián)的led數(shù)量取決于驅(qū)動(dòng)器、輸入電壓、電氣法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)。由于只需使用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器，而且通過(guò)每個(gè)led的電流相等，因此有利于串聯(lián)放置led。但是，它會(huì)導(dǎo)致高輸出電壓

11、，因而需要更大的電路元器件，還可能需要滿足更多安全標(biāo)準(zhǔn)。串聯(lián)-并聯(lián)陣列的輸入電壓較低，并可減少發(fā)生電擊的機(jī)會(huì)。如果某個(gè)led支路發(fā)生故障，則其他支路將會(huì)繼續(xù)工作，單個(gè)led的故障不會(huì)讓整個(gè)陣列停止工作。也就是說(shuō)，該驅(qū)動(dòng)器是恒流電源，因此將迫使更多的電流進(jìn)入工作器件，有可能導(dǎo)致過(guò)熱。串聯(lián)-并聯(lián)陣列也不允許led均等共享驅(qū)動(dòng)電流，除非led的正向電壓非常接近。這些問(wèn)題的一個(gè)解決方法是為每個(gè)led燈串使用驅(qū)動(dòng)器，這樣可以提供最高的可靠性，但也會(huì)增加成本和尺寸。使用這種方法，即使有多個(gè)led燈串出現(xiàn)故障，也可以實(shí)現(xiàn)一些光輸出。紫外線光照問(wèn)題在學(xué)術(shù)界和行業(yè)內(nèi)部，對(duì)于光譜介于280至385nm之間的紫外線

12、“b”（uv-b）非可見(jiàn)光部分的led能否用于種植植物的問(wèn)題，一直眾說(shuō)紛紜。紫外線通常被認(rèn)為不太適合室內(nèi)種植，因?yàn)樗诠夂嫌行РㄩL(zhǎng)的范圍之外。因此，直到大約15年前，人們才在這個(gè)問(wèn)題上展開(kāi)了少量研究。人們對(duì)這一光譜區(qū)域不太感興趣的另一個(gè)因素是安全性：眾所周知，uv-b光子會(huì)導(dǎo)致人體和植物的細(xì)胞受損。事實(shí)上，照明設(shè)備制造商采取了很多措施，大幅減少了設(shè)備發(fā)射的紫外線。因此，要在室內(nèi)種植中采用紫外線，就需要為照射范圍內(nèi)的每個(gè)人采取全面的保護(hù)措施。垂直種植行業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域普遍感興趣的一個(gè)問(wèn)題是植物對(duì)uv-b光的反應(yīng)，它會(huì)導(dǎo)致植物激活自身的防御機(jī)制，防止遭受這些波長(zhǎng)光線的損害。研究表明，一些植物如果暴露在

13、uv-b光下，可能會(huì)產(chǎn)生15種不同的防御蛋白。其中一些蛋白會(huì)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(zhǎng)不會(huì)產(chǎn)生的。隨著uv-b特異光受體（uvr8）在21世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)，并在2011年被定性，我們?cè)谶@個(gè)爭(zhēng)論不休的問(wèn)題上終于看到了一線曙光。我們目前還沒(méi)有明確了解uvr8控制基因表達(dá)的機(jī)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(fā)生交互。但是，科學(xué)文獻(xiàn)已經(jīng)指出了uv-b光帶來(lái)的諸多潛在益處，包括減少外延生長(zhǎng)、增加葉片厚度和蠟質(zhì)、優(yōu)化紅葉生菜和其他一些植物的葉片顯色、對(duì)病原體和昆蟲(chóng)具有很強(qiáng)抵抗力、將保質(zhì)期提高一倍、增加有利的抗氧化劑和類黃酮的生產(chǎn)、提高水果和蔬菜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。要確定這些益處是否確實(shí)存在，是否值得投入大量的時(shí)間、設(shè)備和培訓(xùn)在室內(nèi)種植中使用uv-b光照并確保安全性，我們?nèi)匀贿€有很多研究工作要做。在此期間，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了面向其他應(yīng)用的uvled，例如rayviomodel的rvxr-