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【 DigiKey DIY原创大赛】应用LED电源制作家庭植物补光灯

植物光合作用

光合作用是绿色植物(或者某些细菌)通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧的过程。更细致一点的来讲光合作用主要分为两个阶段,光反应和暗反应(也称卡尔文循环)。

光反应依赖于阳光的能量来进行,发生在在叶绿体类囊体的薄膜上,将水分解成[H]和O2,同时促成形成活跃化学能的ATP。

暗反应则发生在叶绿体基质中,不依赖于阳光直接参与,而是依赖于前一阶段产生的ATP和[H]来完成。CO2与植物体内的C5结合,形成C3,CO2被固定。在有关酶的催化作用下,C3接受ATP水解释放的能量并且被还原,经过一系列的变化,形成葡萄糖和C5。

为了让植物更快的生长,第一个光反应阶段尤为重要,这是能量的来源,是第二暗反应阶段的前提条件。室内的阳光不足以让植物获得适宜的光照强度,此时补光灯就能作为太阳光的补充,并且可以在夜晚适当补充光照,延长植物光合作用的时间,植物长得会更快。

不同波长光对光合作用的影响

太阳光谱中380~780nm为可见光,400~700mm波段的光辐射被称为植物光合有效辐射(PAR, photosynthetically active radiation),与可见光基本重合。光合有效辐射指植物吸收和利用不同波长的光合辐射,参与作物光合作用并转化为有机物储存起来的太阳辐射,。不同的光谱成分对植物有不同的影响。植物叶片对太阳辐射的吸收、反射和透射程度也与辐射的波长有直接关系。

紫外光谱(100–400 nm),分为三种UV-A (315-400 nm)、UV-B (280-315 nm) 和 UV-C (100-280 nm)。控制量的紫外线有消毒杀菌作用,可以减少植物病害。

蓝光(450-480nm) 能够被叶绿素和类胡萝卜素吸收,可以促进发芽,促进叶绿素的生成,对植株早期生长很重要,确保其根、茎和叶的生长,抑制徒长,缩短节间距,使植株更健壮。它促进气孔开放,允许更多的二氧化碳进入叶子,有利于暗反应阶段。

绿光(500nm-560nm) 色素的吸收率较弱,反射绿光较多,所以叶子呈现绿色。但是也并无作用,作为重要的环境信号促进下胚轴伸长。

红光(610-730nm) 促进光合作用的最有效光谱,被叶绿素吸收,进行的光反应阶段。同时促进叶绿素生成,调节植物的茎、叶生长。

色温和光谱的关系

色温是指光源的色彩品质,通常用开尔文(K )度数表示。光源的色温越高,光线所呈现的颜色就越冷(蓝);色温越低,光线所呈现的颜色就越暖(黄)。在色温上,光源可以分为三种类型:暖光、中性光和冷光。从光谱上来看,冷光更偏向蓝光,暖光有更多的红光。

灯珠选择

植物中的叶绿素吸收光谱的最强区域有两个:一个是在波长为660nm左右的红光部分,另一个在波长为450nm左右的蓝光部分。所以为了促进植物的光合作用,蓝光和红光是最主要也最有效的波长,红蓝混合的光会出现品红色,这个颜色对于在家庭中养植物补光来讲,对眼睛不太友好,另外其它的波长成分也是有其作用的,因此实际选用全光谱的灯珠加入少量红光灯珠。分别为灯珠大小选用3030的3000K(暖白)5000K(正白)660nm红光的灯珠。

电源的选择

选择240W可调光明纬电源,XLG-240-H-AB, 输出电压范围27~ 56V,效率可达93%,AB为可调光版本,可通过PWM信号或者可调电阻进行输出电压调节,可以按照植物的多少以及悬挂的高度灵活地控制光强。

灯珠排版的选择

串联式:

采用收尾相接的形式,一条线上的所有灯珠电流相同,相同色温的LED灯珠的亮度一样,,但是当有一个灯珠断路之后,一整条线上的灯珠都会收到影响。

并联式:

采用正接正,负接负的形式。LED灯珠的电压相同,即使同一批次的,电流也不完全相同。当一个灯珠断路之后不影响其他的灯珠使用。

串并联混合式:

如果将所有LED串联,将需要LED驱动器输出较高的电压。如果将所有LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。我们选用的输出电压稳定的电源,需要多个灯珠串联来降低电压。但是不希望因为个别的灯珠损坏,导致整条灯珠全都不亮,采用串并联混合式可以增加容错率。

PPFD和LUX

PPFD:光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density),是每平方米每秒光源辐射出的微摩尔数量,单位umol/m2s, 常用光合有效光量子通量(PPF)和光合有效光量子通量密度(PPFD)作为衡量光照强度的单位。PPFD是表示在一平方米范围里的PPF1 PPFD 表示每秒1微摩尔的光子数量辐射在1平方米的表面。。它和距离光源的距离成反比。

流明(lm)是描述光通量的物理单位。勒克斯(lux,法定符号lx)由流明(lm)引出的单位,是照度单位。被光均匀照射的物体,在1平方米面积上所得的光通量是1流明时,它的照度是1勒克斯,单位为lm/m(LX)。

在400-700nm波长范围内,当光谱形态确定后,辐射源可以通过测量被辐射面的照度值(LX)换算出PPFD,这个换算常数就是XD因子。

换算公式:PPFD=照度值(LUX)/XD因子

LUX与PPFD成正比,可以用LUX大致表示PPFD的强度,作为参考。

对于植株健康生长,光强不能太弱,太弱达不到光补偿点,呼吸作用大于光合作用,长得太慢。植株也不能太强,强光会让植株出现光抑制,大多数的植物在正午阳光直射时,都会产生光抑制影响光合阶段光系统II。不同的植物对光强的需求有差异,10000lux对于大多数植物来讲是比较适宜的。

散热

使用铝基板加散热铝板的方式,铝基板和散热铝板之间涂抹散热硅脂,更好的贴合散热。

通过热成像仪可以看到温度控制在合适的温度,灯珠的使用寿命在50000小时,良好的散热对于延长灯珠的寿命非常有利。

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