Спектральные датчики повышают урожайность при использовании полупроводникового освещения

Светодиоды уже имеют широкое распространение и в быту, и в коммерческих зданиях, а в настоящее время разработка новых типов светодиодов стимулирует их проникновение и в другие сегменты рынка, включая теплицы и вертикальные фермы. В сельском хозяйстве в качестве источника искусственного света традиционно использовались натриевые лампы высокого давления (НЛВД), но со временем производители светодиодов разработали новые поколения светильников с лучшими и более богатыми спектральными характеристиками, более эффективные и экономичные, чем предыдущие светодиоды [1].

Новые светодиоды имеют низкое энерго­потребление, излучают мало тепла и работают в течение длительного срока, что делает их недосягаемыми для традиционных ламп НЛВД. Более того, характеристики современных светодиодов открывают новые возможности для выхода на рынок сельскохозяйственного освещения. Например, фермеры теперь могут располагать светильники ближе к растениям, управлять силой света и спектром для оптимизации роста и развития растений. Это имеет два преимущества: позволяет производителям увеличивать плотность растений в теплицах за счет уменьшения расстояния между полками по вертикали (так называемые вертикальные фермы) и оптимизировать цикл вегетации и, следовательно, время использования теплицы. Именно такие преимущества делают светодиоды предпочтительными источниками света в сельскохозяйственном освещении.

Однако чтобы добиться стабильного и оптимального для развития растений освещения, необходимо принимать во внимание некоторые ограничения, присущие светодиодам. Использование управления спектром с помощью сенсорных датчиков может устранить эти ограничения.

Параметры ламп, влияющие на рост растений

Многие растения произрастают только в определенных географических регионах и в определенное время года. Частично это связано с требованиями к температуре и влажности. Но другим важным фактором является попадающий на них свет, напрямую влияющий на фотосинтез и, следовательно, на способность растения генерировать энергию, необходимую для роста.

Некоторые исследователи обнаружили, например, что интенсивность облучения светом на длине волны 680 нм имеет решающее значение для скорости роста томатов во время фазы прорастания, но мало влияет в последующие фазы [2]. Во время вегетативной фазы облучение светом 650 нм оптимизирует рост и содержание хлорофилла a. В ходе исследований было выявлено, что каждая фаза вегетации — прорастание, фаза активного роста и плодоношение — требует воздействия света с различными длинами волн.

Теплицы, защищающие растения от суровых зимних условий при круглогодичном выращивании томатов в северном полушарии, оснащены системами освещения, компенсирующими недостаток естественного света в зимний период и имеющими оптимальные для растений спектральные характеристики. Если система освещения сможет имитировать ежедневное изменение спектра Солнца, чтобы он совпадал с циркадным циклом растений, оптимизация искусственного освещения будет завершена. Другие растения, как и помидоры, нуждаются в своем специфическом спектре света для роста и протекания фотосинтеза. Этот спектр должен учитывать как спектральный диапазон длин волн, так и циркадный ритм. Спектр излучения, используемый при выращивании растений, в основном ограничен диапазоном видимого света (длины волн 400–700 нм). Максимумы спектра расположены в красной и синей областях. Тем не менее каждому растению для оптимального роста необходим полный спектр. Циркадный ритм зависит от условий освещения в регионе, из которого происходит конкретное растение.

Из-за различий между растениями даже одного типа качество света может оказывать большое влияние на продуктивность, рост и развитие конкретных растений [3]. Управление силой света и спектром источника света и его влиянием на циркадный ритм помогает обеспечить оптимальные условия выращивания культур.

Влияние температуры на спектр светодиодов

На рис. 1 видно, как спектр излучения источника света, использующего комбинацию красного, зеленого и синего (RGB) светодиодов, изменяется в зависимости от температуры. По горизонтальной оси отображена длина волны, а по вертикальной — интенсивность излучения.

Рис. 1. Зависимость спектра RGB-светодиода от температуры

Кривые ясно показывают, что излучательная способность красного светодиода зависит от изменений температуры гораздо сильнее, чем синего. Интенсивность излучения уменьшается почти на 40% при изменении температуры с +5 до +70 °C (с 41 до 158 °F).

Такое изменение спектра излучения является негативным эффектом для производителей агрокультурных систем освещения, которые обязаны обеспечить излучение с точно заданными длинами волн. Эту проблему иллюстрирует пример на рис. 2. Хотя при номинальной температуре окружающей среды характеристика светильника может быть очень близка к идеальной кривой черного тела (кривой Планка), при повышении температуры окружающей среды до +80 °C его спектр значительно отклоняется от целевого [4].

Рис. 2. Дрейфы цветности комбинаций светодиодов

Как уже упоминалось, для роста растений важна не столько оптимизация по цвету излучения, который воспринимается человеческим глазом, сколько оптимизация самой формы спектрального распределения. Следовательно, управление спектром светильника в зависимости от температуры требует знания этого спектра.

Старение светодиодов

Срок службы светодиода обычно определяется как время, за которое его световой поток снизится до 70% от первоначального.

На рис. 3 показано изменение светового потока мощного RGB-светодиода за первые 10 000 ч работы. Эти кривые варьируются от одного производителя к другому. Потеря светового потока в течение первых 5000 ч обычно колеблется в диапазоне 5–15%. Кроме того, следует отметить, что изменение потока, показанное на рис. 3, у разных светодиодов разное, и для синих светодиодов снижение потока оказывается более быстрым по сравнению с зелеными и красными [4].

Рис. 3. Деградация светового потока светодиодов в течение срока службы

Деградация потока со временем потребует периодической замены светодиодов в системе освещения — это сложное и дорогостоящее обслуживание, увеличивающее стоимость владения.

Оптические системы обратной связи

Таким образом, для правильной работы сельскохозяйственные системы освещения должны иметь регулировку параметров излучения в зависимости от времени и температуры, позволяющую поддерживать требуемые цветность и световой поток.

Один из способов выполнения этого требования — стабилизация тока и напряжения питания светодиодов. Другой способ — применение контура управления, в котором система измеряет температуру светодиода и передает эти значения драйверу. Такие решения выполняют косвенное регулирование и основаны на модели прогнозируемого старения люминофора. Они также требуют сортировки светодиодов, используемых при производстве светильников.

Лучшим же методом считается регулирование с обратной связью, описанное далее. Как показано на рис. 4, это решение отличается от нерегулируемых методов управления тем, что в нем имеется спектральный датчик, измеряющий фактическую форму спектра излучения в реальном времени, сигналы которого непосредственно используются для управления светодиодным драйвером или контроллером, изменяющим выходное излучение до тех пор, пока оно не будет соответствовать заданным целевым значениям для цветности и силы света.

Рис. 4. Замкнутая оптическая система обратной связи

Описанный выше принцип работает для любого светодиодного источника света, такого как RGB + белый, RGB + белый + янтарный или системы с четырьмя или более спектральными светодиодными каналами [4]. Подобная система (со смешанными светодиодами) показана на рис. 4.

Передачу излучения в датчик можно организовать различными способами. Один из них — создание световода в светильнике, собирающего свет от нескольких светодиодов и направляющего смешанный свет на датчик. Другой способ состоит в том, чтобы спроектировать спектральный чувствительный элемент, который можно разместить вне светильника, непосредственно на уровне растений, и создать интерфейс связи с драйвером. В этом случае сенсорное устройство также может обнаруживать и реагировать на дневной свет.

Чипсет датчиков AS7265x

Для организации управления с обратной связью требуется небольшое сенсорное устройство, способное с высоким разрешением измерять спектр излучения, испускаемого несколькими светодиодами.

Изделия, представленные компанией ams, соответствуют таким требованиям. Чипсет AS7265x представляет собой набор устройств, состоящий из трех высокоинтегрированных шестиканальных спектральных сенсоров, каждое устройство имеет размеры всего 4,5×4,4×2,5 мм, представлено в корпусе LGA со встроенной диафрагмой, управляющей поступлением света на массив датчиков. При этом спектральные характеристики каждого чувствительного элемента задаются с помощью интерференционных фильтров Гаусса, изготавливаемых методом нанооптического осаждения слоев на устройство, изготовленное по стандартной кремниевой КМОП-технологии.

Благодаря структуре «ведущий-ведомый-ведомый» три сенсорных ИС воспринимаются хостом как единое логическое устройство, что упрощает интеграцию системы и сокращает время разработки. Интеллектуальная система, интегрированная в AS7265x, преобразует необработанные светотехнические измерения в откалиброванный цифровой сигнал и управляет интерфейсом с главным микропроцессором через интерфейсы I²C или UART.

Восемнадцать каналов AS7265x покрывают длины волн в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра с шагом 20 нм, с центральными значениями длин волн 410, 435, 460, 485, 510, 535, 560, 585, 610, 645, 680, 705, 730, 760, 810, 860, 900 и 940 нм. Указанный ряд длин волн AS7265x точно соответствует диапазону, необходимому для оптимального освещения растений, — спектральной кривой, известной как кривая МакКри.

Интерференционные фильтры AS7265x обладают чрезвычайно точными и воспроизводимыми характеристиками, стабильными как по времени, так и по температуре. Они позволяют ams производить спектральные датчики намного компактнее и экономичнее, чем решения на основе стандартных компонентов, необходимых для создания приборов спектрального анализа с большим количеством каналов.

Калибровка чипсета AS72651/652/653 выполняется на заводе-изготовителе, что обеспечивает чувствительность 35 отсчетов/мкВт/см²
по всему измеряемому диапазону, упрощая разработку алгоритмов. В сочетании с высокой стабильностью фильтра с течением времени и температурой это позволяет создать «калиброванную на весь срок эксплуатации» схему, снижая как количество компонентов, так и затраты на производство и открывая новые области применения, например сельско­хозяйственное освещение (рис. 5).

Рис. 5. Блок-схема AS7265x

Небольшой размер чипсета AS7265x в сочетании с его низким энергопотреблением позволяет производителям освещения разрабатывать новые системы сельско­хозяйственного освещения, использующие эти уникальные свойства.

Такая система способна контролировать спектр и интенсивность излучения в системах освещения растений непосредственно в светильнике или на уровне растений. Благодаря характеристикам спектрального фильтра датчики AS7265x могут контролировать такие параметры, как ФАР (фотосинтетически активная радиация), в диапазоне примерно 400–700 нм, что является диапазоном длин волн, обеспечивающих фотосинтез (рис. 6). Кроме того, спектральные данные датчиков могут использоваться для контроля эффективности преобразования электрической энергии в оптическую.

Рис. 6. Характеристики фильтров AS7265x

Первые испытания, проведенные компанией ams, подтверждают, что точность AS7265x может быть близка к точности спектрометров лабораторного уровня.

На рис. 7 показана разница между значениями, измеренными с помощью спектрометра (красная линия) и датчика AS7265x (синяя линяя). В этом случае в компании ams измерялись абсолютные значения, чтобы иметь возможность сравнить датчики AS7265x со спектрометром. Если схема управления с обратной связью измеряет только отклонения от требуемого спектра, то для измерения относительных значений достаточно заводской калибровки.

Рис. 7. Сравнение значений спектрометра и датчика после калибровки (красная линия — спектрометр, синяя — датчик)

В дополнение к мониторингу эффектов старения и температурных сдвигов параметров светодиодов датчики AS7265x позволяют обнаруживать влияние дневного света. Эти данные можно использовать для уменьшения интенсивности излучения тех длин волн, излучаемых светодиодами, которые уже присутствуют в дневном свете. Это обеспечивает дополнительную экономию энергии и затрат при поддержании оптимального уровня освещения растений.

В целом метод управления с обратной связью, включающий спектральный 18-канальный сенсорный чипсет AS7265x, помогает производителям сельско­хозяйственного освещения разрабатывать полностью автоматизированные системы освещения со следующими функциями:

• автоматическая компенсация, учитывающая влияние дневного света;
• автоматическая настройка на циркадные ритмы;
• автоматическая балансировка светодиодных сдвигов из-за старения и температуры.

Заключение

В будущем светодиоды станут источником света в большинстве сельско­хозяйственных систем освещения, заменив традиционные светильники НЛВД. Это обусловлено более низкой стоимостью владения светодиодными источниками света, обеспечивающими более высокую энергоэффективность, излучающими меньше тепла и имеющими более длительный срок службы. Новые, более интеллектуальные, подключенные к сетям передачи данных и оснащенные большим количеством датчиков светодиодные системы освещения обеспечат более эффективные возможности управления и автоматизации в теплицах. Спектральные датчики будут контролировать как свет, так и фотосинтетическую активность растений. Показания датчиков будут использоваться для автоматической настройки света.

Используя спектральные датчики, такие как AS7265x, сельскохозяйственные системы освещения станут более эффективными и стабильными в течение длительного времени. Датчики открывают новые возможности, такие как автоматическая балансировка спектра излучения и мониторинг роста. Это сокращает усилия, необходимые для выращивания сельскохозяйственных культур, экономит энергию и помогает оптимизировать урожай и его качество.