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，它們來自多家公司，包括OSRAM、LuminousDevices、WürthElektronik、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LED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LED的多樣性、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°。WürthElektronik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塵室中，自2015年以來，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)，在無菌環(huán)境中，沒有使用殺蟲劑，用水量僅為正常條件的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在室內(nèi)種植方面具備的最獨(dú)特的主要優(yōu)勢之一，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，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，需要注意簡單的“燈泡”所不要求的諸多因素，例如可靠的快斷式過載保護(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了動(dòng)力，促使他們專門針對此類應(yīng)用開發(fā)完整的生態(tài)系統(tǒng)，包括參考設(shè)計(jì)、評估板以及涵蓋基礎(chǔ)到高級的技術(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)際上只有當(dāng)LED燈具在較低功率下工作時(shí)才是這樣。也就是說，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800°F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。

　　基于以上討論，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。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，必須通過熱管理系統(tǒng)迅速從電路板耗散，否則LED的使用壽命將會(huì)縮短，完全失靈的情況也不罕見。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)通過穩(wěn)定輸入電壓和電流，長時(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則覆蓋450至650nm范圍。通過配合使用，可以在燈具內(nèi)部或直接在植物級別精確地監(jiān)控各個(gè)LED。通信是采用基于文本的消息，通過UART或I2C提供?？傊@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)閺腖ED到無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)，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)過流和超溫，還包括一個(gè)用于過壓保護(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)種植通常需要相對較高的環(huán)境溫度和高濕度，以促進(jìn)植物生長，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。這會(huì)影響它們的接線要求，UL8000標(biāo)準(zhǔn)對這些要求做出了詳細(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，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，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。

　　紫外線光照問題

　　在學(xué)術(shù)界和行業(yè)內(nèi)部，對于光譜介于280至385nm之間的紫外線“B”（UV-B）非可見光部分的LED能否用于種植植物的問題，一直眾說紛紜。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的范圍之外。因此，直到大約15年前，人們才在這個(gè)問題上展開了少量研究。

　　人們對這一光譜區(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)問題是植物對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，防止遭受這些波長光線的損害。研究表明，一些植物如果暴露在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，我們在這個(gè)爭論不休的問題上終于看到了一線曙光。我們目前還沒有明確了解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光帶來的諸多潛在益處，包括減少外延生長、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、對病原體和昆蟲具有很強(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，市場上已經(jīng)推出了面向其他應(yīng)用的UVLED，例如RayVioModel的RVXR-280-SB-073105UVLED星形板，光譜波長為280nm。

　　總結(jié)

　　LED帶來了靈活性，但伴隨而來的挑戰(zhàn)也遠(yuǎn)超出使用像高壓鈉燈這樣相對簡單的光源。盡管如此，它讓我們能夠在更小的空間內(nèi)種植更多植物，無需化學(xué)品，減少甚至杜絕土壤的使用，同時(shí)增加蔬菜的營養(yǎng)價(jià)值，改善植物的開花情況，這些優(yōu)點(diǎn)都具有極大的吸引力。因此，照明和半導(dǎo)體元器件行業(yè)正在利用得到廣泛支持的解決方案來簡化LED照明應(yīng)用，同時(shí)還在不斷改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。