如何优化室内种植的 LED 照明设计

LED 照明拥有多种优势，室内种植行业正在增加这方面的利用，这样做的理由非常充分。因为 LED 体积小、重量轻，使用寿命至少是其他任何光源的 10 倍，消耗的电流很小，而且能效非常高，能够产生不同的光谱波长，还兼容数字控制系统。但是，设计 LED 照明系统并优化其性能是一项复杂的工作，与高压钠 (HPS) 灯等相对简单的前几代产品相比，需要注意的指标更多。

本文介绍 LED 在室内种植中扮演的角色，讨论它们带来的挑战，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 和相关元器件的实例，它们来自多家公司，包括 OSRAM、Luminous Devices、Würth Elektronik、ams、RayVio 和 Microchip Technology。最后，本文还介绍 UV 光谱利用方面的最新发展动态，以及 LED 照明系统优化方面的其他要求。

不断发展的 LED 农业生态系统

由于消费照明市场的规模非常庞大，为厂商提供了更快推动先进技术发展的动力，而室内种植正可能因此而实现了从高压钠灯和其他光源向 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升，同时成本却大为减少。例如，OSRAM 的 GH CS8PM1.24-4T2U-1 型产品使用从 646 到 666 纳米 (nm)（红色）光谱范围，发射功率为 425 毫瓦 (mW)，效率达到 59%，辐射角度为 80˚。

Luminous Devices 的 SST-10-B 型产品的波长为 450 nm（蓝色），最低发射功率为 510 mW，效率达到 57%。辐射角度可以指定为 90°或 130°。Würth Elektronik 的园艺 LED 包括 150353GS74500 型 525 nm（绿色）设备，辐射角度为 125˚。这些制造商及其他厂商还提供适用于室内种植的其他波长的 LED，从而覆盖种植业所需的整个光谱（图 1）。

图 1：光合作用所用色素的吸收光谱广泛分布在约 400 至 700 nm 的可见光谱中。（图片来源：Würth Elektronik）

室内植物种植横跨多个学科，从植物学到种植和土壤科学，再到作物管理，现在还涉及到电子监视和控制系统。在这种环境中引入新光源，既具备一定的挑战性，也能带来回报，因为很快就有新的发现。在使用 LED 照明实现的最佳室内条件下，我们可以获得令人惊叹的结果。

位于日本多贺城的 Mirai 垂直生菜农场就是一个广泛提及的实例（图 2）。这个 25,000 平方英尺的设施位于前索尼制造工厂的无尘室中，自 2015 年以来，每天收获数千株生菜以及其他植物。它使用 17,500 个 LED 灯实现了这个目标，在无菌环境中，没有使用杀虫剂，用水量仅为正常条件的 1/50，食物废物量也减少了 40%。

图 2：Mirai 垂直农场是全球第二大垂直农场，也是首批投入运营的垂直农场之一。（图片来源：National Geographic）

多功能性伴随的挑战

有意思的是，LED 的多功能性或许是它在室内种植方面具备的最独特的主要优势之一，但同时也让实现基于 LED 的室内种植变得更加复杂。例如，由于它们是可调光的，因此驱动器必须包括这种功能。另外，要提供适合植物的波长，还需要掌握有关 LED 复杂规格的知识。

LED 是一种固态装置，需要注意简单的“灯泡”所不要求的诸多因素，例如可靠的快断式过载保护、二极管与控制电路的精确匹配等。幸运的是，园艺学（尤其是垂直种植）的快速发展给照明元器件制造商带来了动力，促使他们专门针对此类应用开发完整的生态系统，包括参考设计、评估板以及涵盖基础到高级的技术文献，让设计人员的工作变得轻松多了。

一些种植者普遍存在的一种误解是，LED 产生的热量小于高压钠灯，但实际上只有当 LED 灯具在较低功率下工作时才是这样。也就是说，600 瓦特的 LED 灯具和 600 瓦特的高压钠灯产生的热量大致相等。两者之间的差异在于产生了多少光能，以及从灯具辐射热量的方式。

从高压钠灯光源发出的热量可能达到 800°F 并向农作物辐射，而 LED 中的热量位于二极管及其电子元件在印刷电路板上的贴装位置，不会集中到植物上。这正是 LED 在垂直种植方面远优于高压钠灯的主要原因，因为它们能够放置在距离植物非常近的位置，而不会造成损害。

基于以上讨论，选择较低功率的 LED 是合情合理的选择，近距离、多层应用通常便是这种情况。但是，大多数低功率 LED 具有固定的辐射角度，而高功率 LED 则提供从 80 至 150 度变化辐射角度。另外，要达到与高功率 LED 匹配的性能，需要的低功率 LED 数量要多得多。高功率 LED 通常最适合种植棚应用，在此应用中，它们凭借更大的输出，能够从一定的距离之外覆盖广阔的范围。

但是，LED 灯具产生的热量仍然存在，必须通过热管理系统迅速从电路板耗散，否则 LED 的使用寿命将会缩短，完全失灵的情况也不罕见。主要冷却方法包括带有散热器的被动冷却灯具，或者使用风扇或水冷的主动冷却灯具。后一种类型需要消耗能量，而且作为机械装置，它们可能会失灵，导致 LED 过热。

优化工作寿命

制造商指定的 LED 工作寿命通常至少达到 20,000 小时，最高可达 50,000 小时，其中工作寿命结束指的是亮度比原始值降低 70%。LED 照明系统设计人员的目标是确保 LED 达到额定工作寿命，同时通过稳定输入电压和电流，长时间保持最大的输出。这个目标要依靠电源才能达到，特别是 LED 驱动器，需要持续从温度传感器采集数据，并且执行调整以保持最佳性能。为了补充这些功能，需要能够实时测量光源的亮度，并将信息再次馈送到驱动器。为实现此目标，光谱传感器是最具性价比且复杂度最低的方法。

例如，ams 提供了光谱传感器系列，用于实时测量 LED 的实际光谱轮廓，直接控制 LED 驱动器以调节输出，直至它与指定的色度和强度目标值相匹配。AS7263-BLGT 型号具有六个独立的滤光片，其光谱响应被量身定制为 600 至 870 nm 范围内（图 3），而 AS7262-BLGT 则覆盖 450 至 650 nm 范围。通过配合使用，可以在灯具内部或直接在植物级别精确地监控各个 LED。通信是采用基于文本的消息，通过 UART 或 I²C 提供。总之，这些传感器结合其他功能，能够让 LED 的工作寿命得到优化，同时实现趋势分析和其他分析。

图 3：AS7263-BLGT 光传感器对介于 450 至 650 nm 的波长非常敏感。因此它属于光谱传感器系列，可用于实时测量 LED 的光谱轮廓，直接控制 LED 驱动器以调节输出，直至它与指定的色度和强度目标值相匹配。（图片来源：ams）

电路保护

大多数应用都要求为 LED 灯串馈入恒流电源，而在长灯串中进行这种设计可能具有一定的挑战性。电路保护要依赖于控制系统内的多个元器件，因为从 LED 到无源和有源元器件的整个控制电路必须受到瞬态保护。主要的过压保护器件是位于 AC 输入端的金属氧化物压敏电阻 (MOV)，它能提供高级别的瞬态电压抑制，并且减少环波效应导致的应力。它吸收可能具有破坏性的能量，并将其作为热量散发，从而帮助保护元器件。LED 灯串驱动器电路通常包括一个正温度系数 (PTC) 电阻器，用于防止 LED 出现过流和超温，还包括一个用于过压保护的并行瞬态电压抑制 (TVS) 二极管。线性整流电路应该在输出上包含高压直流保险丝，用以提供二次保护。另外建议添加与 LED 串联的自恢复保险丝，以防止热击穿。

另一个注意事项是，室内种植通常需要相对较高的环境温度和高湿度，以促进植物生长，因此照明系统必须能够在这种环境下工作。另外，其他应用中使用的灯具在整个工作寿命中都保持在同一位置，与它们不同，在垂直农场应用中，灯具设计为可以抬升、下降或重新定位，以优化植物生长。这会影响它们的接线要求，UL 8000 标准对这些要求做出了详细规定。

驱动器注意事项

驱动器主要有两种类型，分别是使用低压直流输入电源和高压交流电源的驱动器。例如，Microchip Technology 的 CL88030-E/MF 设计用于直接从 120、230 或 277 V_AC 电源驱动一长串低电流 LED。典型应用包括驱动器 IC、四个电源 FET、四个电阻器、两个电容器和一个桥式整流器。同时提供过热保护，可随着温度升高逐渐减少光输出和电源调整率。使用 NTC 热敏电阻有助于实现额外的过热保护功能（图 4）。

图 4：Microchip Technology 的 CL88030-E/MF 型顺序线性驱动器的应用电路显示了该器件以及使用 MOV 的保护电路。（图片来源：Microchip Technology）

能够串联的 LED 数量取决于驱动器、输入电压、电气法规和安全标准。由于只需使用单个驱动器，而且通过每个 LED 的电流相等，因此有利于串联放置 LED。但是，它会导致高输出电压，因而需要更大的电路元器件，还可能需要满足更多安全标准。

串联-并联阵列的输入电压较低，并可减少发生电击的机会。如果某个 LED 支路发生故障，则其他支路将会继续工作，单个 LED 的故障不会让整个阵列停止工作。也就是说，该驱动器是恒流电源，因此将迫使更多的电流进入工作器件，有可能导致过热。串联-并联阵列也不允许 LED 均等共享驱动电流，除非 LED 的正向电压非常接近。

这些问题的一个解决方法是为每个 LED 灯串使用驱动器，这样可以提供最高的可靠性，但也会增加成本和尺寸。使用这种方法，即使有多个 LED 灯串出现故障，也可以实现一些光输出。

紫外线光照问题

在学术界和行业内部，对于光谱介于 280 至 385 nm 之间的紫外线“B”(UV-B) 非可见光部分的 LED 能否用于种植植物的问题，一直众说纷纭。紫外线通常被认为不太适合室内种植，因为它在光合有效波长的范围之外。因此，直到大约 15 年前，人们才在这个问题上展开了少量研究。

人们对这一光谱区域不太感兴趣的另一个因素是安全性：众所周知，UV-B 光子会导致人体和植物的细胞受损。事实上，照明设备制造商采取了很多措施，大幅减少了设备发射的紫外线。因此，要在室内种植中采用紫外线，就需要为照射范围内的每个人采取全面的保护措施。

垂直种植行业和农业领域普遍感兴趣的一个问题是植物对 UV-B 光的反应，它会导致植物激活自身的防御机制，防止遭受这些波长光线的损害。研究表明，一些植物如果暴露在 UV-B 光下，可能会产生 15 种不同的防御蛋白。其中一些蛋白会影响植物的气味、颜色和味道以及抗病能力，而这些蛋白是其他波长不会产生的。

随着 UV-B 特异光受体 (UVR8) 在 21 世纪初被发现，并在 2011 年被定性，我们在这个争论不休的问题上终于看到了一线曙光。我们目前还没有明确了解 UVR8 控制基因表达的机制，也不知道 UVR8 通路的工作原理，以及如何与处于其他光受体控制下的其他通路发生交互。

但是，科学文献已经指出了 UV-B 光带来的诸多潜在益处，包括减少外延生长、增加叶片厚度和蜡质、优化红叶生菜和其他一些植物的叶片显色、对病原体和昆虫具有很强抵抗力、将保质期提高一倍、增加有利的抗氧化剂和类黄酮的生产、提高水果和蔬菜的营养价值。

要确定这些益处是否确实存在，是否值得投入大量的时间、设备和培训在室内种植中使用 UV-B 光照并确保安全性，我们仍然还有很多研究工作要做。在此期间，市场上已经推出了面向其他应用的 UV LED，例如 RayVio Model 的 RVXR-280-SB-073105 UV LED 星形板，光谱波长为 280 nm。

总结

LED 带来了灵活性，但伴随而来的挑战也远超出使用像高压钠灯这样相对简单的光源。尽管如此，它让我们能够在更小的空间内种植更多植物，无需化学品，减少甚至杜绝土壤的使用，同时增加蔬菜的营养价值，改善植物的开花情况，这些优点都具有极大的吸引力。因此，照明和半导体元器件行业正在利用得到广泛支持的解决方案来简化 LED 照明应用，同时还在不断改进这项技术。