Esistono due modi comuni per ottenere bianco bagliore di intensità sufficiente utilizzando LED. Il primo è la combinazione di chip di tre colori primari - rosso, verde e blu - in un unico alloggiamento LED. Miscelando questi colori si ottiene il bianco; inoltre, variando l'intensità dei colori primari, si ottiene qualsiasi tonalità di colore che viene utilizzata nella lavorazione. Il secondo modo consiste nell'utilizzare un fosforo per convertire la radiazione di un LED blu o ultravioletto in bianca. Un principio simile viene utilizzato nelle lampade fluorescenti. Attualmente prevale il secondo metodo a causa del basso costo e della maggiore emissione luminosa dei LED al fosforo.

Fosfori

I fosfori (il termine deriva dal latino lumen - luce e dal greco phoros - portatore) sono sostanze che possono brillare sotto l'influenza di vari tipi di eccitazioni. In base al metodo di eccitazione, ci sono fotoluminofori, fosfori a raggi X, radioluminofori, catodoluminofori ed elettroluminofori. Alcuni fosfori sono disponibili in tipi di eccitazione misti, ad esempio foto, catodo ed elettroluminoforo ZnS·Cu. In base alla loro struttura chimica, distinguono tra fosfori organici - organoluminofori e quelli inorganici - fosfori. I fosfori che hanno una struttura cristallina sono chiamati cristallofosfori. Il rapporto tra l’energia emessa e quella assorbita è chiamato efficienza quantistica.

La luminosità del fosforo è determinata sia dalle proprietà della sostanza principale che dalla presenza di un attivatore (impurità). L'attivatore crea centri di luminescenza nella sostanza principale (base). Il nome dei fosfori attivati ​​è composto dal nome della base e dell'attivatore, ad esempio: ZnS·Cu,Co significa fosforo ZnS attivato con rame e cobalto. Se la base è mista, vengono elencati prima i nomi delle basi e poi gli attivatori, ad esempio ZnS, CdS Cu, Co.

La comparsa di proprietà luminescenti nelle sostanze inorganiche è associata alla formazione di una base di fosforo nel reticolo cristallino durante la sintesi di difetti strutturali e di impurità. L'energia che eccita il fosforo può essere assorbita sia dai centri luminescenti (attivatore o assorbimento delle impurità) che dalla base del fosforo (assorbimento fondamentale). Nel primo caso, l'assorbimento è accompagnato dalla transizione degli elettroni all'interno del guscio elettronico a quello superiore livelli di energia, o rimozione completa di un elettrone dall'attivatore (si forma un “buco”). Nel secondo caso, quando l'energia viene assorbita dalla base, nella sostanza principale si formano lacune ed elettroni. I fori possono migrare in tutto il cristallo e localizzarsi nei centri di luminescenza. L'emissione avviene a seguito del ritorno degli elettroni a livelli energetici inferiori o della ricombinazione di un elettrone con una lacuna.

I fosfori in cui la luminescenza è associata alla formazione e alla ricombinazione di cariche opposte (elettroni e lacune) sono chiamati fosfori di ricombinazione. Si basano su collegamenti di tipo semiconduttore. In questi fosfori il reticolo cristallino della base è il mezzo in cui si sviluppa il processo di luminescenza. Ciò consente, variando la composizione della base, di variare ampiamente le proprietà dei fosfori. La modifica del gap di banda quando si utilizza lo stesso attivatore modifica gradualmente la composizione spettrale della radiazione su un ampio intervallo. A seconda dell'applicazione esistono diversi requisiti per i parametri del fosforo: tipo di eccitazione, spettro di eccitazione, spettro di emissione, potenza di emissione, caratteristiche temporali (tempo di salita e durata del bagliore residuo). La più grande varietà di parametri può essere ottenuta con i fosfori cristallini modificando gli attivatori e la composizione della base.

Lo spettro di eccitazione di vari fotoluminofori è ampio, dall'ultravioletto a onde corte all'infrarosso. Lo spettro di emissione si trova anche nelle regioni del visibile, dell'infrarosso o dell'ultravioletto. Lo spettro di emissione può essere ampio o ristretto e dipende fortemente dalla concentrazione del fosforo e dell'attivatore, oltre che dalla temperatura. Secondo la regola di Stokes-Lommel il massimo dello spettro di emissione viene spostato dal massimo dello spettro di assorbimento verso le onde lunghe. Inoltre, lo spettro di emissione ha solitamente un'ampiezza significativa. Ciò è spiegato dal fatto che parte dell'energia assorbita dal fosforo viene dissipata nel suo reticolo, trasformandosi in calore. Un posto speciale è occupato dai fosfori “anti-Stokes”, che emettono energia in una regione più alta dello spettro.

L'energia emessa dalla radiazione al fosforo dipende dal tipo di eccitazione, dal suo spettro e dal meccanismo di conversione. Diminuisce con l'aumentare della concentrazione del fosforo e dell'attivatore (estinzione della concentrazione) e della temperatura (estinzione della temperatura). La luminosità del bagliore aumenta dall'inizio dell'eccitazione per periodi di tempo variabili. La durata del bagliore residuo è determinata dalla natura della trasformazione e dalla durata dello stato eccitato. Gli organoluminofori hanno il tempo di postluminescenza più breve, i fosfori cristallini hanno il tempo più lungo.

Una parte significativa dei fosfori cristallini sono materiali semiconduttori con un intervallo di banda di 1-10 eV, la cui luminescenza è causata da un'impurità dell'attivatore o da difetti nel reticolo cristallino. IN lampade fluorescenti Vengono utilizzate miscele di fosfori cristallini, ad esempio miscele di MgWO4 e (ZnBe)2 SiO4 Mn] oppure fosfori monocomponenti, ad esempio alofosfato di calcio attivato da Sb e Mn. I fosfori per scopi di illuminazione vengono selezionati in modo che il loro bagliore abbia una composizione spettrale vicina allo spettro della luce diurna.

I fosfori organici possono avere una resa elevata e una risposta rapida. Il colore del fosforo può essere selezionato per qualsiasi parte visibile dello spettro. Vengono utilizzati per analisi luminescenti, produzione di vernici luminescenti, insegne, sbiancamento ottico di tessuti, ecc. I fosfori organici venivano prodotti in URSS con il marchio Luminors.

Durante il funzionamento, il fosforo è soggetto a variazioni dei parametri nel tempo. Questo processo è chiamato invecchiamento (degradazione) del fosforo. L'invecchiamento è causato principalmente da fattori fisici e processi chimici sia nello strato di fosforo che sulla sua superficie, comparsa di centri non radiativi, assorbimento della radiazione nello strato di fosforo modificato.

Fosforo nei LED

I LED bianchi sono spesso realizzati utilizzando un cristallo InGaN blu e un fosforo giallo. I fosfori gialli utilizzati dalla maggior parte dei produttori sono granato di ittrio e alluminio modificato drogato con cerio trivalente (YAG). Lo spettro di luminescenza di questo fosforo è caratterizzato da una lunghezza d'onda massima di 530..560 nm. La parte dello spettro a onde lunghe è più lunga della parte a onde corte. La modifica del fosforo con gadolinio e additivi al gallio consente di spostare il massimo dello spettro nella regione fredda (gallio) o nella regione calda (gadolinio).

Interessanti i dati spettrali del fosforo utilizzato nel Cree. A giudicare dallo spettro, alla composizione di fosfori del LED bianco è stato aggiunto oltre a YAG un fosforo con un massimo di emissione spostato nella regione del rosso.

A differenza delle lampade fluorescenti, il fosforo utilizzato nei LED ha una durata maggiore e l'invecchiamento del fosforo è determinato principalmente dalla temperatura. Il fosforo viene spesso applicato direttamente sul cristallo del LED, che diventa molto caldo. Altri fattori che influenzano il fosforo hanno molta meno importanza per la durata. L'invecchiamento del fosforo porta non solo a una diminuzione della luminosità del LED, ma anche a un cambiamento nell'ombra del suo bagliore. Con una grave degradazione del fosforo, è chiaramente visibile una sfumatura blu del bagliore. Ciò è dovuto al cambiamento delle proprietà del fosforo e al fatto che la radiazione propria del chip LED comincia a prevalere nello spettro. Con l'introduzione della tecnologia (fosforo remoto), l'influenza della temperatura sulla velocità di degradazione del fosforo viene ridotta.

Ho già scritto diversi articoli sulle lampade per piante fatte in casa.
Utilizzando normali LED blu e rossi
Utilizzo di LED a spettro speciale 440 nm e 660 nm

Oggi vi parlerò dei LED speciali “a spettro completo” per piante. Per questi LED lo spettro di emissione richiesto viene ottenuto da uno speciale fosforo che fornisce la radiazione secondaria.

Caratteristiche del prodotto

• Potenza: 3 W (c'è 1 W nello stesso lotto)
• Corrente di lavoro: 700 mA
• Voltaggio operativo: 3,2-3,4 V
• Produttore del chip: Epistar Chip
• Dimensione del chip: 45mil
• Spettro: 400 nm-840 nm
• Certificati: CE, RoHS,
• Durata della vita: 100.000 ore
• Scopo: lampade per piante

Aspetto

Imballaggio dal negozio

Per comodità, lo trasferisco sulla confezione dai LED bianchi

Basta ammirazione, passiamo ai test

Test a correnti diverse

Per cominciare, controlla la potenza e prendi la caratteristica corrente-tensione
Alimentatore per computer, usato da me come laboratorio e il buon vecchio PEVR-25, che personifica una grande epoca)))

Misurare corrente/tensione con un semplice dispositivo, poiché qui non è richiesta una precisione particolare. Bene, e un dissipatore di calore, per non surriscaldare il LED mentre lo prendo in giro. Inoltre, ho misurato l'illuminazione in ciascuna modalità a una distanza di circa 15-20 cm per valutare l'efficienza del bagliore a correnti diverse.

Iniziato con una corrente molto piccola di 30 mA

Ho aumentato gradualmente la corrente a 1,5 A e la potenza a 7,5 W, pensavo che sarebbe morto, ma no, è sopravvissuto!

Il grafico della tensione e dell'illuminazione rispetto alla corrente si presenta così

La tensione cambia in modo abbastanza lineare. Non ci sono segni di degrado del cristallo ad una corrente di 1,5 A. Tutto diventa più interessante con l'illuminazione. Dopo circa 500 mA la dipendenza dell'illuminazione dalla corrente diminuisce. Concludo che 500-600 mA è la modalità di funzionamento più efficace con questo LED, anche se funzionerà abbastanza bene con i suoi 700 mA nominali e la diminuzione della luminosità è dovuta al semplice surriscaldamento.

Ho usato uno spettroscopio per l'analisi spettrale

Illuminiamo la luce in un tubo con la fonte studiata e nell'altro illuminiamo la scala. Osserviamo lo spettro finito attraverso l'oculare

Sfortunatamente, questo spettroscopio non ha un attacco speciale per la fotografia. L'immagine era visivamente molto bella e non voleva essere riprodotta su un computer. Ho provato diverse fotocamere, telefoni e tablet. Di conseguenza, ho optato per un endoscopio, con l'aiuto del quale sono riuscito in qualche modo a fotografare lo spettro. Ho completato i numeri della scala nell'editor, poiché la fotocamera non voleva mettere a fuoco normalmente.

Per l'analisi ho utilizzato il programma gratuito Cell Phone Spectrophotometer
Avendo lottato con errori, come scritto nell'articolo, associati a diversi formati di punto decimale in diversi Windows, ho ottenuto i seguenti spettrogrammi

Luce solare

Lampada da tavolo fluorescente. Le linee spettrali del mercurio sono chiaramente visibili

LED "a spettro completo" da questa recensione

Non è possibile verificare la presenza della componente infrarossa da 840 nm su questo dispositivo, ma nel campo visivo lo spettro dei LED è abbastanza adatto allo scopo previsto. La luminescenza massima si verifica a 440 nm e 660 nm. La banda spettrale in questa gamma è più ampia e uniforme di quella dei LED monocromatici separati.

Il design della lampada è estremamente semplice. Per la produzione ho preso:

• LED 3W “spettro completo” – 10 pz.
• Driver LED 10×3W 600mA (Completamente adatto)
• Profilo in alluminio a U 30mm - 1m
• Fili, sigillante Kazan, pezzo di canale per cavo elettrico 25×20

Taglio e segno il profilo

Realizzo alloggiamenti per driver da canaline per cavi elettrici.

Per incollare i LED al profilo utilizzo il sigillante Kazan, anche se va bene anche l'adesivo hot-melt.

Poi collego tutto con fili, isolo i contatti con termorestringente

Ora il driver e il phytolamp sono pronti

Un paio d'ore di funzionamento dimostrano che il calcolo termico è stato eseguito correttamente e non si verificherà alcun surriscaldamento e anche con un funzionamento prolungato la temperatura non supererà i 45°C

La luce della lampada è più morbida di quella dei LED separati da 440 nm e 660 nm. È meno accecante per gli occhi.

È tempo di fare il punto

• I LED a “spettro completo” giustificano pienamente il loro scopo e sono adatti alla realizzazione di fitolampade.
• La potenza e lo spettro dichiarati corrispondono alle caratteristiche dichiarate, anche se non è stato possibile verificare la componente infrarossa.
• Lo spettro richiesto in tali LED viene ottenuto utilizzando uno speciale fosforo, quindi il design dei diodi stessi può essere qualsiasi cosa. Puoi utilizzare matrici potenti da 20 W e superiori per l'uso nelle serre. Per illuminare piantine e piante da interno Questi LED sono abbastanza.

Ispezione all'uscita superata!

Per coloro che sono troppo pigri per assemblare tali lampade da soli,

Introduzione

Efficienza

L'efficienza luminosa, misurata in lumen per watt (lm/W, lm/W) è un valore utilizzato per determinare l'efficienza di conversione dell'energia (nel nostro caso elettrica) in luce. Le lampadine a incandescenza convenzionali funzionano nell'intervallo di 10-15 lm/W. Qualche anno fa dimensione standard L'efficienza del LED era di circa 30 lm/W. Ma nel 2006, l’efficienza dei LED bianchi era più che raddoppiata: uno dei principali produttori, Cree, è stato in grado di dimostrare 70 lm/W nei prototipi, che rappresentano un aumento del 43% rispetto al flusso luminoso massimo dei LED bianchi di produzione. Nel dicembre 2006 Nichia ha annunciato i nuovi LED bianchi con un'efficienza luminosa raggiunta di 150 lm/W. Questi campioni hanno dimostrato un flusso luminoso di 9,4 lm con una temperatura di colore di 4600 K con una corrente di 20 mA in condizioni di laboratorio. L'efficienza dichiarata è circa 11,5 volte superiore a quella delle lampade ad incandescenza (13 lm/W), 1,7 volte superiore a quella delle moderne lampade fluorescenti (90 lm/W). Inoltre, viene superato l'indicatore delle lampade al sodio ad alta pressione (132 lumen/watt), che è la sorgente luminosa più efficiente tra le lampade tradizionali.

Vantaggi

La Solid State Light (SSL) non è ancora ben conosciuta, nonostante la varietà di modi in cui può essere prodotta e implementata tramite LED. La maggior parte delle aziende e dei progettisti hanno familiarità solo con la tradizionale illuminazione bianca analogica, senza valutare veramente le alternative vantaggiose e utili fornite dai LED. Oltre ai benefici facilmente prevedibili che si possono ottenere dallo stato solido Illuminazione a LED(risparmio energetico, lunga durata, ecc.), è necessario prestare attenzione alle seguenti caratteristiche specifiche dei LED come nuove fonti di luce bianca:

• bassa generazione di calore e bassa tensione di alimentazione (garantisce un elevato livello di sicurezza);
• assenza del bulbo in vetro (determina altissima resistenza meccanica ed affidabilità);
• nessun riscaldamento o tensioni di avviamento elevate all'accensione;
• accensione/spegnimento senza inerzia (reazione< 100 нс);
• non è richiesto alcun convertitore CC/CA;
• controllo assoluto (regolazione della luminosità e del colore sull'intera gamma dinamica);
• spettro completo della luce emessa (o, se richiesto, uno spettro specializzato);
• distribuzione della luce integrata;
• compattezza e facilità di installazione;
• assenza di radiazioni ultraviolette e altre radiazioni dannose per la salute;
• Non vengono utilizzate sostanze pericolose come il mercurio.

Come ottenere luce bianca utilizzando i LED?

Il nero è l’assenza di tutti i colori. Quando la luce proveniente da tutte le parti dello spettro dei colori viene sovrapposta (ovvero, tutti i colori sono presenti), la miscela combinata appare bianca. Questa è la cosiddetta luce bianca policromatica. I colori primari da cui si possono ottenere tutte le sfumature sono il rosso, il verde e il blu (RGB). Colori secondari, detti anche colori complementari: lilla (una miscela di rosso e blu); blu (una miscela di verde e blu); e giallo (una miscela di rosso e verde). Qualunque colore aggiuntivo e anche il colore primario opposto si somma alla luce bianca (giallo e blu, ciano e rosso, lilla e verde).

Ci sono vari modi ricevere luce bianca dai LED.

Il primo è la miscelazione dei colori utilizzando la tecnologia RGB. I LED rossi, blu e verdi sono posizionati densamente su una matrice, la cui radiazione viene miscelata utilizzando un sistema ottico, ad esempio una lente. Il risultato è una luce bianca. Un altro approccio meno comune mescola i colori LED primari e secondari per produrre luce bianca.

Nel secondo metodo, un fosforo giallo (o verde più rosso) viene applicato a un LED blu, determinando la miscelazione di due o tre emissioni per formare luce bianca o quasi bianca.

Il terzo metodo prevede l'applicazione di tre fosfori sulla superficie di un LED che emette nella gamma degli ultravioletti, emettendo rispettivamente luce blu, verde e rossa. È simile a come brilla una lampada fluorescente.

Il quarto metodo per produrre luce bianca utilizzando i LED si basa sull'utilizzo di un semiconduttore ZnSe. La struttura è un LED ZnSe blu “cresciuto” su un substrato ZnSe. La regione attiva del conduttore emette luce blu e il substrato emette luce gialla.

Tipo di cristallo			Fosforo	Colore di emissione e possibili sfumature	Applicazioni
Blu e verde				Bianco + R, G, B e qualsiasi combinazione multicolore	Retroilluminazione LCD, architettura, paesaggio, tabelloni e display
				Bianco + B, Y e varie tonalità multicolori
Blu-verde	Rosso o rosso-arancio			Bianco + B, R e varie tonalità multicolori	Illuminazione automobilistica, architettura, paesaggio
Blu 470-450 nm				Solo bianco	Illuminazione generale e retroilluminazione
UV				Bianco o vari colori monocromatici a seconda del fosforo utilizzato	Illuminazione generale e retroilluminazione
		Blu/giallo		Bianco + blu dallo strato epitassiale, giallo dal substrato	Illuminazione generale e retroilluminazione

Quale metodo è migliore?

Ognuno di loro ha i suoi vantaggi e svantaggi. La tecnologia di miscelazione dei colori, in linea di principio, consente non solo di ottenere il bianco, ma anche di spostarsi lungo la cartella colori man mano che la corrente che passa attraverso i diversi LED cambia. Questo processo può essere controllato manualmente o tramite un programma speciale. Allo stesso modo è possibile ottenere diverse temperature di colore. Pertanto, le matrici RGB sono ampiamente utilizzate nei sistemi di illuminazione dinamica. Inoltre, un gran numero di LED nella matrice fornisce un elevato flusso luminoso totale e un'elevata intensità luminosa assiale. Ma il punto luminoso, a causa delle aberrazioni del sistema ottico, ha un colore diverso al centro e ai bordi e, soprattutto, a causa della rimozione irregolare del calore dai bordi della matrice e dal suo centro, i LED si riscaldano in modo diverso e, di conseguenza, il loro colore cambia in modo diverso durante il processo di invecchiamento, la temperatura di colore totale e il colore “galleggiano” durante l'uso. È piuttosto difficile e costoso compensare questo fenomeno spiacevole.

I LED bianchi con fosfori (LED convertiti al fosforo) sono significativamente più economici delle matrici LED RGB (calcolate per unità di flusso luminoso) e forniscono un buon colore bianco. E per loro, in linea di principio, non è un problema arrivare al punto con le coordinate (X = 0,33, Y = 0,33) sul diagramma dei colori CIE. Gli svantaggi sono i seguenti: in primo luogo, hanno una resa luminosa inferiore rispetto alle matrici RGB a causa della conversione della luce nello strato di fosforo; in secondo luogo, è piuttosto difficile controllare con precisione l'uniformità dell'applicazione del fosforo nel processo tecnologico (di conseguenza, la temperatura del colore non viene controllata); e in terzo luogo, anche il fosforo invecchia, più velocemente del LED stesso.

I LED ZnSe bianchi presentano numerosi vantaggi. Funzionano a 2,7 V e sono molto resistenti alle scariche statiche. I LED ZnSe possono emettere luce su una gamma molto più ampia di temperature di colore rispetto ai dispositivi basati su GaN (3500-8500K rispetto a 6000-8500K). Ciò consente di creare dispositivi con una luce "più calda", preferita da americani ed europei. Ci sono anche degli svantaggi: sebbene gli emettitori a base di ZnSe abbiano un elevato rendimento quantico, hanno vita breve, hanno un’elevata resistenza elettrica e non hanno ancora trovato applicazione commerciale.

Applicazione

Temperatura del colore

Consideriamo lo spettro di emissione di un LED bianco con un fosforo come sorgente di luce policromatica. I LED bianchi offrono un'ampia gamma di colori tra cui scegliere, dal bianco incandescente “caldo” al bianco fluorescente “freddo”, a seconda dell'applicazione.

Questo grafico mostra l'intera gamma del bianco dalla regione più calda di 2800 K alla fredda regione bianco-bluastra di 9000 K. Molte sfumature di bianco sono già determinate dalle varie fonti di luce utilizzate nell'ambiente che ci circonda: ufficio, bluastro freddo -luce bianca proveniente da lampade fluorescenti; luce domestica, bianco-giallastra proveniente da lampade a incandescenza; la brillante luce bianco-blu industriale delle lampade al mercurio; luce giallo-bianca proveniente da lampade al sodio ad alta pressione per esterni.

Con lo sviluppo della tecnologia LED si trovano sempre più campi di applicazione; essa sostituisce gradualmente la tecnologia fluorescente e quella fluorescente lampade ordinarie incandescente I LED sono molto più pratici durante il funzionamento, consumano 10 volte meno elettricità, sono più durevoli e resistenti alle sollecitazioni meccaniche. A causa delle proprietà dei LED di fornire radiazioni in determinati spettri della gamma di luce, hanno iniziato ad essere utilizzati attivamente per la coltivazione delle piante.

Intervalli dello spettro luminoso che promuovono la crescita delle piante

È noto che tutte le piante si sviluppano attraverso il processo di fotosintesi, studi più approfonditi hanno dimostrato che esso avviene più attivamente alla luce blu e rossa; Le statistiche di vari esperimenti mostrano come alcune piante differiscono nella composizione della clorofilla, l'intensità della fotosintesi dipende da questo. A seconda dello stadio di crescita, diverse colture vegetali assorbono una certa parte dello spettro luminoso.

Le verdure come cipolle, prezzemolo e aneto crescono più attivamente nello spettro blu (lunghezza d'onda 445 nm). In una fase iniziale di sviluppo, questa gamma è preferita anche dalle piantine di ortaggi. Quando inizia il periodo di fioritura, maturazione delle ovaie e dei frutti, la luce dello spettro rosso nell'intervallo di 660 nm viene assorbita attivamente. Alcune colture orticole beneficiano della luce bianca ad ampio spettro per una crescita favorevole.

Dopo aver studiato queste proprietà, puoi capire che i LED sono i più facili da adattare alla tecnologia di coltivazione delle piante in condizioni di serra con illuminazione artificiale.

Fonti di illuminazione artificiale

In precedenza, per le piante nelle serre venivano utilizzati attivamente LED bianchi, lampade fluorescenti o a scarica di gas con un ampio spettro di radiazioni. Tale illuminazione non è del tutto efficace nello stimolare la crescita delle piante. Molta energia viene spesa per l'illuminazione nella gamma giallo-verde, che è inutile per la crescita delle piantine.

Nella prima fase abbiamo usato LED semplici luce rossa e blu, striscia LED. Ma questi diodi avevano un intervallo di diffusione abbastanza ampio oltre lo spettro rosso e blu, un costo elevato e una bassa intensità di illuminazione. Nel processo di miglioramenti successivi, i cristalli LED hanno iniziato a essere ricoperti da uno strato di fosforo, che ha la proprietà di trasmettere solo raggi blu e rossi. I nuovi fitolampade emettono luce viola. Le tecnologie che utilizzano il fosforo hanno permesso di ottenere il massimo effetto sotto tutti gli aspetti:

• bassi costi di produzione;
• massima concentrazione di energia radiante nelle gamme del blu e del rosso;
• intensità massima di radiazione;
• modalità economica di consumo di elettricità.

Tali LED garantiscono il processo attivo di fotosintesi, stimolando la crescita delle piante. Il lavoro per migliorare i parametri dello spettro emesso è costantemente in corso; i produttori stanno cercando di realizzare fitofotodiodi, avvicinandoli il più possibile allo spettro della luce solare. Uno degli esempi moderni sono i fito-LED a spettro completo Bridgelux 35 mm ed Epistar, il primo ha una lente diffusore più convessa.

Aspetto Bridgelux 35mm

Caratteristiche tecniche Bridgelux 35 mm:

• potenza nominale – 1 W;
• tensione da 3,0 a 3,4 V;
• corrente – 350 mA;
• spettro di colori completo per piante 400–840 nm;
• durata di servizio – 50.000 ore;
• direzione di dispersione del raggio – 120 gradi;
• Dimensioni – Ø chip con alloggiamento 9 mm, Ø lente 5,6 mm, altezza dell'intera struttura del chip 6 mm.

La particolarità di questi fito-LED è che non necessitano di più chip con diversi spettri di emissione: blu o rosso. In questo caso, tutto è montato in un chip con un ampio spettro di illuminazione, dove predominano i colori blu e rosso.

Analisi comparativa spettri di LED rossi e fitofotodiodo

Gli intervalli di giallo, verde e altri spettri sono significativamente ridotti. Ciò ti consente di concentrare l'energia sull'emissione di colori utili.

I principali vantaggi dei phytoLED

• Lo spettro di emissione copre l'intero intervallo da 400 a 840 nm.
• La distribuzione dell'intensità della radiazione di parti dello spettro è il più vicino possibile alla luce solare.
• Il problema dell'utilizzo di più tipi di LED con spettri diversi viene risolto quando nella lampada vengono inseriti LED rossi e blu.
• PhytoLED stimola efficacemente la crescita delle piante durante l'intero periodo di sviluppo: prima della fioritura, durante la fioritura, l'allegagione e la maturazione. Non è necessario cambiare le sorgenti luminose in fasi diverse. Il fitofotodiodo è assemblato sulla base di un singolo cristallo.

Le lampade con elementi fito-LED, che hanno uno spettro completo di luce solare, funzionano 1,9 volte in modo più efficiente rispetto ai semplici fitolampade con picchi nella gamma del rosso e del blu. E 1,2 volte migliore degli assemblaggi che utilizzano singoli diodi di spettri diversi.

Un esempio di progetto per illuminare le piantine con fito-LED

Si è notato che sotto i fitolamp dello spettro rosso e blu i germogli crescono più in alto, ma sui fiori ci sono meno ovaie. I fitofotodiodi a spettro completo hanno una luce blu meno intensa della luce rossa. I contrasti dello spettro sono bilanciati in modo che i LED per le piante non forniscano una crescita significativa in altezza, ma il numero massimo di frutti.

La superiorità dei fitofotodiodi a spettro completo rispetto ad altri modelli è evidente. Affinché possano essere utilizzati ancora più ampiamente, resta da migliorare i dettagli per aumentare l'intensità del flusso luminoso.

Ecologia del consumo. Scienza e tecnologia: che tipo di illuminazione è necessaria per ottenere un corpo completamente sviluppato, ampio, profumato e pianta gustosa?

L'intensità della fotosintesi sotto la luce rossa è massima, ma solo sotto la luce rossa le piante muoiono o il loro sviluppo viene interrotto. Ad esempio, i ricercatori coreani hanno dimostrato che quando viene illuminata con il rosso puro, la massa della lattuga coltivata è maggiore rispetto a quando viene illuminata con una combinazione di rosso e blu, ma le foglie contengono significativamente meno clorofilla, polifenoli e antiossidanti. E la Facoltà di Biologia dell'Università Statale di Mosca lo ha stabilito nelle foglie Cavolo cinese sotto la luce rossa e blu a banda stretta (rispetto all'illuminazione delle lampade al sodio), la sintesi degli zuccheri è ridotta, la crescita è inibita e la fioritura non avviene.

Riso. 1 Leanna Garfield Tech Insider - Aerofarm

Che tipo di illuminazione è necessaria per ottenere una pianta completamente sviluppata, grande, profumata e gustosa con un consumo energetico moderato?

Come valutare l'efficienza energetica di una lampada?

Metriche di base per valutare l’efficienza energetica di phytolight:

• Flusso di fotoni fotosintetici (PPF), in micromoli per joule, cioè nel numero di quanti di luce nell'intervallo 400–700 nm emessi da una lampada che consumava 1 J di elettricità.
• Rendimento del flusso di fotoni (YPF), in micromoli effettive per joule, cioè nel numero di quanti per 1 J di elettricità, tenendo conto del moltiplicatore - la curva McCree.

PPF risulta sempre un po' più alto di YPF(curva McCree normalizzato a uno e nella maggior parte dell'intervallo inferiore a uno), quindi la prima metrica è vantaggiosa per i venditori di lampade. La seconda metrica è più vantaggiosa da utilizzare per gli acquirenti, poiché valuta in modo più adeguato l’efficienza energetica.

Efficienza del DNAT

Le grandi imprese agricole con una vasta esperienza e contando il denaro utilizzano ancora lampade al sodio. Sì, accettano volentieri di appendere le luci LED fornite loro sui letti sperimentali, ma non accettano di pagarle.

Dalla fig. 2 mostra che l'efficienza di una lampada al sodio dipende fortemente dalla potenza e raggiunge un massimo a 600 W. Valore ottimistico caratteristico YPF per una lampada al sodio 600–1000 W è 1,5 eff. µmol/J. Le lampade al sodio da 70–150 W sono una volta e mezza meno efficienti.

Riso. 2. Spettro tipico di una lampada al sodio per piante (Sinistra). Efficienza in lumen per watt e in micromoli efficaci delle marche commerciali di luci per serre al sodio Cavita, E-Papillon, "Galad" e "Reflex" (Giusto)

Qualunque luce led limo avente un'efficienza di 1,5 eff. µmol/W e un prezzo ragionevole, possono essere considerate un degno sostituto di una lampada al sodio.

La discutibile efficacia dei phytolight rosso-blu

In questo articolo non presentiamo gli spettri di assorbimento della clorofilla perché non è corretto farvi riferimento in una discussione sull'utilizzo del flusso luminoso da parte di una pianta vivente. Clorofilla invito, isolato e purificato, assorbe realmente solo la luce rossa e blu. In una cellula vivente, i pigmenti assorbono la luce nell’intero intervallo compreso tra 400 e 700 nm e trasferiscono la sua energia alla clorofilla. L'efficienza energetica della luce in un foglio è determinata dalla curva " McCree 1972"(Fig. 3).

Riso. 3. V(λ) - curva di visibilità per l'uomo; RQE- efficienza quantica relativa dell'impianto ( McCree 1972); σ R E σ fr- curve di assorbimento della luce rossa e far-red da parte del fitocromo; B(λ) - efficienza fototropica della luce blu

Nota: l'efficienza massima nella zona rossa è una volta e mezza superiore all'efficienza minima nella zona verde. E se si calcola la media dell'efficienza su una banda piuttosto ampia, la differenza diventa ancora meno evidente. In pratica, la ridistribuzione di parte dell'energia dalla gamma del rosso a quella del verde talvolta, al contrario, esalta la funzione energetica della luce. Luce verde passa attraverso lo spessore delle foglie ai livelli inferiori, l'area fogliare effettiva della pianta aumenta bruscamente e aumenta la resa, ad esempio, della lattuga.

Nel lavoro è stata studiata la fattibilità energetica di impianti di illuminazione con comuni lampade LED a luce bianca.

La forma caratteristica dello spettro di un LED bianco è determinata da:

• l'equilibrio delle onde corte e lunghe, in correlazione con la temperatura del colore (Fig. 4, a sinistra);
• il grado di occupazione spettrale, che è correlato alla resa cromatica (Fig. 4, a destra).

Riso. 4. Spettri di luce LED bianca con la stessa resa cromatica, ma diversa temperatura di colore CCT (Sinistra) e con la stessa temperatura di colore e resa cromatica diversa R a(Giusto)

Le differenze nello spettro dei diodi bianchi con la stessa resa cromatica e temperatura di colore sono sottili. Di conseguenza, possiamo valutare i parametri dipendenti dallo spettro solo dalla temperatura del colore, dalla resa cromatica e dall'efficienza luminosa, parametri che sono scritti sull'etichetta di una lampada a luce bianca convenzionale.

I risultati dell'analisi degli spettri dei LED bianchi seriali sono i seguenti:

1. Nello spettro di tutti i LED bianchi, anche con una temperatura di colore bassa e una resa cromatica massima, come le lampade al sodio, c'è estremamente poco rosso lontano (Fig. 5).

Riso. 5. Spettro LED bianco ( GUIDATO 4000K R a= 90) e luce al sodio ( HPS) rispetto a funzioni spettrali sensibilità delle piante al blu ( B), rosso ( A_r) e luce rossa lontana ( A_fr)

In condizioni naturali, una pianta ombreggiata da una chioma di fogliame estraneo riceve un rosso più distante che un rosso vicino, che nelle piante che amano la luce innesca la "sindrome da evitamento dell'ombra": la pianta si allunga verso l'alto. I pomodori, ad esempio, nella fase di crescita (non le piantine!) hanno bisogno di molto rosso per allungarsi, aumentare la crescita e l'area totale occupata, e quindi il raccolto futuro.

Di conseguenza, sotto i LED bianchi e la luce al sodio la pianta sembra sotto il sole aperto e non si allunga verso l'alto.

2. La luce blu è necessaria per la reazione di “inseguimento del sole” (Fig. 6).

Esempi di utilizzo di questa formula:

A. Stimiamo per i valori base dei parametri della luce bianca quale dovrebbe essere l'illuminazione per fornire, ad esempio, 300 eff per una data resa cromatica e temperatura di colore. µmol/s/m2:

Si può notare che l'uso della luce bianca calda con un'elevata resa cromatica consente l'uso di livelli di illuminazione leggermente inferiori. Ma se si tiene conto che l'efficienza luminosa dei LED a luce calda con resa cromatica elevata è leggermente inferiore, diventa chiaro che scegliendo la temperatura di colore e la resa cromatica non si ottengono vantaggi o perdite energeticamente significativi. Puoi solo regolare la proporzione di luce blu o rossa fitoattiva.

B. Valutiamo l'applicabilità di una tipica luce di coltivazione a LED per uso generale per la coltivazione di microgreens.

Supponiamo che una lampada di 0,6×0,6 m consumi 35 W e abbia una temperatura di colore di 4000 A, resa cromatica Ra= 80 ed efficienza luminosa 120 lm/W. Allora la sua efficienza sarà YPF= (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) eff. µmol/J = 1,5 eff. µmol/J. Che, moltiplicato per i 35 W consumati, sarà 52,5 eff. µmol/s.

Se una tale lampada viene abbassata abbastanza in basso sopra un letto di microgreens con un'area di 0,6 × 0,6 m = 0,36 m 2 ed evitando così la perdita di luce ai lati, la densità di illuminazione sarà 52,5 eff. µmol/s / 0,36 m2 = 145 eff. µmol/s/m2. Si tratta di circa la metà dei valori solitamente raccomandati. Pertanto, anche la potenza della lampada deve essere raddoppiata.

Confronto diretto dei fitoparametri di diverse tipologie di lampade

Confrontiamo i fitoparametri di una lampada LED da soffitto per ufficio convenzionale prodotta nel 2016 con fitoilluminatori specializzati (Fig. 7).

Riso. 7. Parametri comparativi di una tipica lampada al sodio da 600 W per serre, un phytolight LED specializzato e una lampada per l'illuminazione generale di interni

Si può vedere che una normale lampada per illuminazione generale con il diffusore rimosso quando si illuminano gli impianti non è inferiore in termini di efficienza energetica a una lampada al sodio specializzata. È anche chiaro che la fitolampada a luce rosso-blu (il produttore è volutamente non nominato) è realizzata a un livello tecnologico inferiore, poiché la sua efficienza totale (il rapporto tra la potenza del flusso luminoso in watt e la potenza consumata da rete) è inferiore all'efficienza di una lampada da ufficio. Ma se l'efficienza delle lampade rosso-blu e bianche fosse la stessa, anche i fitoparametri sarebbero più o meno gli stessi!

Dagli spettri è anche chiaro che il fitoapparecchio rosso-blu non è a banda stretta, la sua gobba rossa è ampia e contiene molto più rosso lontano di quello del LED bianco e della lampada al sodio. Nei casi in cui è richiesto il far-red, può essere consigliabile utilizzare questo apparecchio da solo o in combinazione con altre opzioni.

Valutazione dell’efficienza energetica dell’impianto di illuminazione nel suo complesso:

Risposta delle piante alla luce: intensità degli scambi gassosi, consumi nutrienti da processi di soluzione e sintesi - determinati in laboratorio. Le risposte caratterizzano non solo la fotosintesi, ma anche i processi di crescita, fioritura e la sintesi delle sostanze necessarie per il gusto e l'aroma.

Nella fig. La Figura 14 mostra la risposta della pianta ai cambiamenti nella lunghezza d'onda della luce. L'intensità dell'apporto di sodio e fosforo dalla soluzione nutritiva è stata misurata su menta, fragole e lattuga. I picchi su tali grafici sono segni di stimolazione di uno specifico reazione chimica. I grafici mostrano che escludere alcune gamme dallo spettro completo per motivi di risparmio equivale a rimuovere parte dei tasti del pianoforte e suonare una melodia su quelli rimanenti.

Riso. 14. Il ruolo stimolante della luce per il consumo di azoto e fosforo in menta, fragole e lattuga.

Il principio del fattore limitante può essere esteso ai singoli componenti spettrali: per un risultato completo è in ogni caso necessario l'intero spettro. La rimozione di alcune gamme dallo spettro completo non porta ad un aumento significativo dell'efficienza energetica, ma il "barile di Liebig" potrebbe funzionare e il risultato sarà negativo.
Gli esempi dimostrano che la normale luce LED bianca e la speciale “phytolight rosso-blu” hanno approssimativamente lo stesso effetto quando si illuminano le piante. efficienza energetica. Ma il bianco a banda larga soddisfa in modo completo i bisogni della pianta, che si esprimono non solo nella stimolazione della fotosintesi.

Rimuovere il verde dallo spettro continuo in modo che la luce passi dal bianco al viola è uno stratagemma di marketing per gli acquirenti che desiderano una “soluzione speciale” ma non sono clienti qualificati.

Regolazione della luce bianca

I LED bianchi per uso generale più comuni hanno una scarsa resa cromatica Ra= 80, dovuto principalmente alla mancanza del colore rosso (Fig. 4).

La mancanza di rosso nello spettro può essere compensata aggiungendo LED rossi alla lampada. Questa soluzione è promossa, ad esempio, dall'azienda CREE. La logica del “barile di Liebig” suggerisce che un tale additivo non danneggerà se è veramente un additivo e non una ridistribuzione di energia da altre gamme a favore del rosso.

Un lavoro interessante e importante è stato svolto nel 2013-2016 dall'Istituto di problemi biomedici dell'Accademia russa delle scienze: hanno studiato come l'aggiunta di 4000 LED bianchi alla luce influisce sullo sviluppo del cavolo cinese A / Ra= 70 LED rossi a banda stretta luminosi 660 nm.

E abbiamo scoperto quanto segue:

• Sotto la luce LED, il cavolo cresce più o meno come sotto la luce al sodio, ma ha più clorofilla (le foglie sono più verdi).
• Il peso secco del raccolto è quasi proporzionale alla quantità totale di luce in moli ricevuta dalla pianta. Più luce, più cavolo.
• La concentrazione di vitamina C nel cavolo aumenta leggermente con l'aumentare dell'illuminazione, ma aumenta in modo significativo con l'aggiunta della luce rossa alla luce bianca.
• Un aumento significativo della proporzione della componente rossa nello spettro ha aumentato significativamente la concentrazione di nitrati nella biomassa. È stato necessario ottimizzare la soluzione nutritiva e introdurre parte dell'azoto sotto forma ammoniacale per non superare la concentrazione massima consentita per i nitrati. Ma alla luce bianca pura era possibile lavorare solo con la forma nitrata.
• Allo stesso tempo, un aumento della percentuale di rosso nel flusso luminoso totale non ha quasi alcun effetto sul peso del raccolto. Cioè, il rifornimento dei componenti spettrali mancanti non influisce sulla quantità del raccolto, ma sulla sua qualità.
• La maggiore efficienza in moli per watt di un LED rosso significa che anche l'aggiunta del rosso al bianco è energeticamente efficiente.

Pertanto, l'aggiunta del rosso al bianco è consigliabile nel caso particolare del cavolo cinese e del tutto possibile nel caso generale. Naturalmente, con il controllo biochimico e la corretta selezione dei fertilizzanti per una coltura specifica.

Opzioni per arricchire lo spettro con la luce rossa

La pianta non sa da dove provenga il quanto dello spettro della luce bianca e da dove provenga il quanto “rosso”. Non è necessario creare uno spettro speciale in un LED. E non è necessario emettere luce rossa e bianca da una speciale fitolampada. È sufficiente utilizzare la luce bianca generica e inoltre illuminare la pianta con una lampada a luce rossa separata. E quando una persona è vicina alla pianta, la luce rossa può essere spenta utilizzando un sensore di movimento per far sembrare la pianta verde e carina.

Ma è giustificata anche la soluzione opposta: scegliendo la composizione del fosforo, si espande lo spettro del LED bianco verso le onde lunghe, bilanciandolo in modo che la luce rimanga bianca. E ottieni luce bianca con una resa cromatica estremamente elevata, adatta sia alle piante che agli esseri umani.

È particolarmente interessante aumentare la proporzione del rosso, aumentando l'indice di resa cromatica complessiva, nel caso dell'agricoltura cittadina - un movimento sociale per coltivare piante necessarie agli esseri umani in città, spesso combinando lo spazio abitativo, e quindi l'ambiente luminoso di esseri umani e piante.

Domande aperte

È possibile identificare il ruolo del rapporto tra luce rossa lontana e vicina e l'opportunità di utilizzare la “sindrome da evitamento dell'ombra” per le diverse colture. Si può discutere in quali aree durante l'analisi sia opportuno dividere la scala delle lunghezze d'onda.

Si può discutere se la pianta necessita di lunghezze d'onda inferiori a 400 nm o superiori a 700 nm per la stimolazione o la funzione di regolamentazione. Ad esempio, esiste un rapporto privato secondo cui le radiazioni ultraviolette influiscono in modo significativo sulle qualità di consumo delle piante. Tra l'altro, le varietà di lattuga a foglia rossa vengono coltivate senza luce ultravioletta e diventano verdi, ma prima della vendita vengono irradiate con luce ultravioletta, diventano rosse e vengono inviate al bancone. E la nuova metrica è corretta? PBAR (radiazioni biologicamente attive delle piante), descritto nella norma ANSI/ASABE S640, Quantità e unità di radiazione elettromagnetica per le piante (organismi fotosintetici, prescrive tenendo conto dell'intervallo di 280–800 nm.

Conclusione

Le catene di negozi scelgono varietà più stabili e quindi l'acquirente vota con rubli per frutti più luminosi. E quasi nessuno sceglie il gusto e l'aroma. Ma non appena diventeremo più ricchi e inizieremo a chiedere di più, la scienza fornirà immediatamente le varietà e le ricette necessarie per la soluzione nutritiva.

E affinché la pianta possa sintetizzare tutto ciò che è necessario per il gusto e l'aroma, avrà bisogno di un'illuminazione con uno spettro contenente tutte le lunghezze d'onda alle quali la pianta reagirà, cioè, in generale, uno spettro continuo. Forse la soluzione di base sarà la luce bianca con un'elevata resa cromatica.

Letteratura
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