Beleuchtung auf Halbleiterbasis und zunehmende Verwendung von LEDs für hortikulturelle Anwendungen

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Zur Verfügung gestellt von Europäische Fachredakteure von Digi-Key

Die Einführung der Leuchtdiode (LED) hat das Beleuchtungsgeschäft zu neuem Leben erweckt. Dank ihrer Energieeffizienz und langen Lebensdauer haben LEDs nicht nur faktisch die herkömmliche Glühbirne ersetzt, sondern auch viele neue Anwendungsfälle möglich gemacht. Ihre Größe war dabei ein entscheidender Punkt und sie sind robuster als herkömmliche Glasglühbirnen. Wegen der steigenden Strompreise haben sie auch im Wohnbereich Einzug gehalten. Viele Regierungen haben Endverbraucherkampagnen durchgeführt, um die stromfressenden Glühbirnen vom Markt zu verdrängen und die Verbreitung energieeffizienterer Leuchtmittel anzukurbeln. LEDs haben sich in Verbraucher- und Industrieanwendungen durchgesetzt und auch in ihrer Entwicklung wurden Fortschritte erzielt. Die Fähigkeit, LEDs dahingehend zu optimieren und zu fertigen, dass sie Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden, ist eine relativ aktuelle Innovation, die bei den Anhängern der Hortikultur auf großes Interesse gestoßen ist.

Vor dem Aufkommen der LED-Beleuchtung wurde bei Innenanwendungen im Hortikultursektor viel mit anderen Beleuchtungstechnologien geforscht. Hierbei wurden die komplexen Beziehungen zwischen Lichtwellenlänge und Pflanzenwachstum betrachtet, wodurch das Studium der Photobiologie, der Biochemie und der Ökophysiologie der Pflanzen begründet wurde. Aufgrund ihrer Energieeffizienz, der geringen Größe und den einfachen Treibermethoden sind LEDs schnell zum idealen Kandidaten für den Einsatz in Wachstumsleuchten avanciert. Im Vergleich dazu waren herkömmliche Methoden der Wachstumsbeleuchtung nicht nur sehr viel weniger energieeffizient, sondern erzeugten auch ein großes Maß an überschüssiger Wärme, die wiederum eine Klimatisierung innerhalb des Gewächshauses erforderlich machte.

In der Photobiologie konzentrierte man sich auf die Erforschung der Reaktion von Pflanzen auf verschiedene Lichtwellenlängen. Hierbei spricht man vom Bereich der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR, Photosynthetic Active Radiation). Die Wellenlängen, die für das größte Wachstum sorgen, liegen hinsichtlich der photosynthetischen Reaktion im Bereich zwischen 400 nm und 700 nm. Es wurden spezielle Wellenlängen identifiziert, die zur größtmöglichen Photosyntheseaktivität pro Proton führen, während andere Wellenlängen für die Regelung der Keimung und der Blütenbildung von Bedeutung sind. Bei 650 nm etwa, einem orange-rötlichen Farbton, ist die Photosyntheseaktivität am höchsten. Die gemeinsame Forschungsarbeit von Hortikultur-Forschungszentren, Erzeugern und Herstellern von Beleuchtungen ebnet nunmehr den Weg für die Einführung von Standards, mit denen die verschiedenen Stufen des Pflanzenwachstums und die Wellenlänge für verschiedene Pflanzensorten aufeinander abgestimmt werden. Außerdem werden sich angesichts der Umgebungsbedingungen, unter denen Wachstumsleuchten für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit betrieben werden, weitere Standards bezüglich Spezifikation, Betrieb und Auswahl von Wachstumsleuchten entwickeln. Die Forschungsarbeit dient außerdem den LED-Herstellern als Ausgangspunkt bei der Herstellung von Geräten, die für bestimmte Pflanzentypen geeignet sind. Unterschiedliche Pflanzensorten machen verschiedene Lichtspektren und -intensitäten erforderlich, um über die gesamte Lebensdauer der Pflanze hinweg optimales Wachstum zu erzielen. So ist beispielsweise bei Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm (Deep Blue) und 660 nm (Hyper Red) die Photosyntheseaktivität am höchsten. Licht mit einer Wellenlänge von 730 nm (Far Red) wird üblicherweise zur Regelung der Keimung verwendet, während weißes Vollspektrumlicht das ökologische Wachstum anregt.

Diagramm der Spektralleistung für die LED-Leuchtmittelserie OSLON von Osram

Abbildung 1: Spektralleistung für die LED-Leuchtmittelserie OSLON von Osram.

Ein Beispiel für LED-Leuchtmittel, die speziell für den Einsatz in Wachstumsleuchten im Hortikultursektor konzipiert wurden, ist die OSLON SSL-Leuchtmittelserie von Osram, die mehrere verschiedene Beleuchtungsfarben mit 450 nm (Deep Blue), 660 nm (Hyper Red) und 730 nm (Far Red) ermöglicht. Das robuste und korrosionsbeständige Keramikgehäuse (3 mm x 3 mm) und die verschiedenen Abstrahlwinkeloptionen (80, 120 oder 150 Grad) sorgen dafür, dass sich die Serie für eine enge Gruppierung von LEDs in den Beleuchtungskörpern eignet. Das Keramikgehäuse bietet eine maximale Betriebstemperatur von 135 °C und ermöglicht dadurch Designs, die in den meisten Gewächshausumgebungen keine zusätzliche Kühlung erforderlich machen. Der maximale Ansteuerungsstrom beträgt 1 A.

Die Serie eignet sich für verschiedene Anordnungen, so etwa für Deckenbeleuchtungen, Regalbeleuchtungen und mehrstufige Pflanzenanordnungen. Sie können komplett ohne natürliches Tageslicht oder ergänzend verwendet werden.

Die Möglichkeit, LEDs mit verschiedenen Wellenlängen in derselben Gehäusegröße unterbringen zu können, gestattet den Herstellern von Wachstumsleuchten auf Halbleiterbasis die Konstruktion von Beleuchtungskörpern mit unterschiedlichen Wellenlängenverhältnissen, ohne das Design von Leiterplatte oder Beleuchtungskörper erheblich verändern zu müssen. Außerdem können LEDs mit verschiedenen Abstrahlwinkeln das Design von Linsen zur Bereitstellung eines bestimmten Strahlwinkels überflüssig machen. Das alles ermöglicht nicht nur das Design sehr viel weniger komplexer Beleuchtungskörper, sondern auch von solchen, deren Gewicht nur einen Bruchteil des Gewichts von Beleuchtungskörpern mit vergleichbaren Technologien ausmacht.

In vielen Industriezweigen stellt die Verkleinerung von Endprodukten eine konstante Herausforderung dar. Das trifft auch auf Beleuchtungsanwendungen im Hortikultursektor zu, da die Vielfalt der Anbaumethoden stetig zunimmt. Das Verbraucherinteresse an der Entwicklung lokaler, nachhaltiger und jahrelang einsetzbarer Anbaumethoden in Innenräumen – etwa durch die Verwendung vertikal angeordneter Regale zur Maximierung des Ertrags auf möglichst kleiner Fläche – ist gestiegen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Abmessungen von Wachstumsleuchten für diesen Markt weiter zu minimieren. Der LED-Hersteller Cree bietet seine XLAMP XQ-Serie von Leuchtmitteln mit Abmessungen von 1,6 mm x 1,6 mm an, die das Design kleinster Beleuchtungskörper mit größtmöglicher Leuchtendichte vereinfachen. Diese Serie ist in den Farben Weiß, Königsblau und Rot und als Komponente für hohe Intensität oder hohe Dichte erhältlich. Bei dem in Abbildung 2 gezeigten Beispiel handelt es sich um die Cree XLAMP XQ-E in der Farbe Rot. Diese LED für hohe Dichte strahlt Licht mit einer Wellenlänge von 625 nm ab und bietet einen Abstrahlwinkel von 130 Grad. Diese Komponenten für hohe Dichte bieten Designflexibilität, ohne Abstriche bei Lumenausstoß oder Zuverlässigkeit machen zu müssen. Sie ermöglichen den Herstellern eine Verkleinerung der Beleuchtungskörper unter Beibehaltung von Leistungseigenschaften, die der von LEDs mit 3,5 mm x 3,5 mm ähneln.

Die Leuchtmittelversionen für hohe Intensität nutzen eine eingebaute Optik, die bei äußerst kompakter Bauweise zur Bereitstellung des maximalen Strahlungsflusses beiträgt.

Bild der XLAMP XQ-Serie von Cree für hohe Dichte und hohe Intensität

Abbildung 2: Die XLAMP XQ-Serie von Cree für hohe Dichte und hohe Intensität.

Für Designs mit der beliebten Größe von 3,45 mm bieten die Serien XP und XT von Cree Varianten mit hohem Lichtstrom und extremer Zuverlässigkeit. Die XT-E L04 ist ein Beispiel für eine Komponente in Königsblau (453 nm) mit einem Abstrahlwinkel von 140 Grad. Abbildung 3 zeigt ihre räumliche Verteilungskurve, die die Strahlungsintensität in Abhängigkeit vom Blickwinkel darstellt.

Räumliche Verteilung für die Cree XT-E in Königsblau

Abbildung 3: Räumliche Verteilung für die Cree XT-E in Königsblau.

Ein Beispiel für ein weißes Leuchtmittel mit hoher Wirksamkeit ist die XLAMP XT-E 4500 K von Cree in neutralem Weiß. Abbildung 4 zeigt die typische spektrale Leistungsverteilung der XT-E-Produktfamilie in der Farbe Weiß. Aufgrund ihrer Abmessungen von 3,45 mm x 3,45 mm empfiehlt sich diese Serie für Beleuchtungskörper und Leiterplatten, um das Design für die Hersteller zu vereinfachen und die Markteinführungszeit zu verkürzen.

Diagramm der spektralen Leistungsverteilung für die XT-E-Serie weißer LEDs

Abbildung 4: Die spektrale Leistungsverteilung für die XT-E-Serie weißer LEDs.

Für Entwicklungsingenieure, die Beleuchtungsanwendungen für den Hortikultursektor entwickeln müssen, stellt Cree einen Leitfaden für das oben genannte Produktportfolio zur Verfügung. Dieser Leitfaden enthält zwei Referenzdesigns für Beleuchtungskörper, die zeigen, was mit den LED-Produkten von Cree möglich ist. Das erste Design stellt einen kleinen linearen Beleuchtungskörper mit geringem Gewicht dar, der bei höchster Leistung 311 umol/s liefert. Beim zweiten Design handelt es sich um einen leistungsstärkeren Beleuchtungskörper, der eine Leistung liefert, die mit der einer industriellen Natriumdampf-Hochdrucklampe (NDL) mit einer Leistung von 1 kW vergleichbar ist. Im Vergleich liefert das LED-Design eine vergleichbare photosynthetische Photonenflussdichte bei nur halber Leistung (553 Watt). Außerdem beträgt die Lebensdauer einer NDL-Lampe üblicherweise 10.000 Stunden, wohingegen die Lebensdauer des Referenzdesigns mit der LED von Cree über 90.000 Stunden beträgt. Des Weiteren sieht das Konzept hinter Halbleiter-Wachstumsleuchten vor, dass es aufgrund der Tatsache, dass sie sich aus einzelnen LED-Leuchtmitteln zusammensetzen, möglich ist, einen Beleuchtungskörper zu entwickeln, der die optimale Spektralleistung für eine bestimmte Pflanzenart liefert. Mit NDL-Lampen ist das nicht möglich, da die Spektralleistung der Lampe nicht reguliert werden kann.

Abbildung 5 zeigt die spektrale Leistungsdichte einer NDL-Lampe mit 1 kW und des Referenzdesigns von Cree im Vergleich zur Forschungskurve von McCree für eine optimale photosynthetische Reaktion in der Hortikultur.

Vergleichsdiagramm der spektralen Leistungsdichte von Referenzdesign, NDL-Lampe und McCree-Kurve

Abbildung 5: Vergleichsdiagramm der spektralen Leistungsdichte von Referenzdesign, NDL-Lampe und McCree-Kurve.

Ein anderer Anbieter von LEDs speziell für hortikulturelle Anwendungen ist LED Engin. Die LZ1-Serie dieses Anbieters umfasst Produkte wie die LZ1-00R202, ein Leuchtmittel mit 660 nm (Deep Red), das bei einer Verlustleistung von 2,6 Watt 5,7 umol/s liefert und in einem Keramikgehäuse (4,4 mm x 4,4 mm) für die Oberflächenmontage untergebracht ist. Diese robuste Komponente eignet sich für Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen und hoher Feuchtigkeit. Ein maximaler Treiberstrom von 1,2 A kann aufgenommen werden.

Um die Halbleiter-Wachstumsleuchten mit Strom zu versorgen, ist ein Konstantstromtreiber wie der Cree LMD800 erforderlich. Mit einem Eingangsspannungsbereich von 120 VAC bis 277 VAC bietet er einen konstanten Ausgangsstrom von 2 A mit einer Ausgangsspannung zwischen 28 VDC und 54 VDC. Eine analoge Dimmfunktion für 0 V bis 10 VDC ist enthalten. Die voraussichtliche Lebensdauer beträgt 50.000 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C. Montagebolzen ermöglichen die Befestigung des 104-Watt-Treibers direkt an einem Beleuchtungskörper oder an dessen Trägerstruktur. Die Einheit verfügt über eine IP20-Einstufung.

Ein weiteres Beispiel für einen LED-Treiber ist der VLED15-120-1250 von CUI. Dieser Konstantstromtreiber liefert einen maximalen Ausgangsstrom von 1,25 A und eine Ausgangsspannung zwischen 8 und 12 VDC. Für Anwendungen, die erheblich mehr Leistung benötigen, brachte Delta Electronics vor Kurzem einen externen 320-Watt-Treiber auf den Markt, und zwar den LNE-12V320WDAA. Diese universelle Stromversorgung deckt den ganzen Bereich der Eingangsspannungen von 90 VAC bis 305 VAC ab und liefert eine Ausgangsspannung von 12 VDC, die eine maximalen Ausgangsstrom von 22,5 A bereitstellen kann.

Es gibt zahlreiche Anbieter von LED-Treibermodulen, die die Hersteller bei der Auswahl von Second-Source-Produkten unterstützen. Beispiele hierfür sind CUI, TDK-Lambda und XP Power. Bei der Auswahl eines geeigneten Treibers für hortikulturelle Anwendungen sollte der Entwicklungsingenieur die Merkmale der Umgebung, in der die Stromversorgung betrieben werden soll, ebenso sorgfältig in Augenschein nehmen wie die erforderlichen elektrischen Parameter. Zu diesen Merkmalen zählt das Eindringen von Feuchtigkeit und Flüssigkeiten, das bei vielen Anwendungen im Bereich der Pflanzenaufzucht sehr wahrscheinlich ist Außerdem muss eine Entscheidung gefällt werden, ob die Stromversorgung innerhalb des Beleuchtungskörpers entweder separat oder auf einer Leiterplatte untergebracht werden soll oder ob sie vielleicht sogar extern montiert werden sollte. Da viele Wachstumsleuchtensysteme für den unbeaufsichtigten Betrieb konzipiert sind, wäre es von Vorteil, wenn die Treiber über einen Host-PC geregelt werden können, wodurch auch die Systemintegration vereinfacht würde. Alle diese Faktoren müssen sorgfältig abgewogen werden.

Fazit

Auf der Suche nach kreativeren Möglichkeiten, die Bevölkerung unseres Planeten mit Nahrung zu versorgen, spielte die Hortikultur und die Erforschung von Kulturpflanzen eine entscheidende Rolle. Ob zu Forschungszwecken oder für den kommerziellen Pflanzenbau, der Einsatz von Beleuchtungstechniken auf Halbleiterbasis gewinnt immer mehr an Bedeutung. Mit einer derart energieeffizienten Lichtquelle können die Erzeuger Geld sparen und gleichzeitig ihren Ernteertrag steigern.

In den letzten 30 Jahren wurde im Bereich der Verwendung künstlicher Lichtquellen und ihrer Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum sehr viel geforscht. Doch erst die aktuellen Innovationen bei LED-Technologien haben kostensparende Wachstumsleuchten möglich gemacht. Insbesondere kompakte Leuchtmittel mit hohem Lumenausstoß sowie die Fähigkeit, die spektrale Leistungsdichte zu regeln, waren ausschlaggebend.

Dank solcher Innovationen sind im Bereich Hortikultur neben der traditionellen Gewächshausproduktion nunmehr auch Mikroprojekte für den Wohnbereich und Gemeinden möglich.

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