So optimieren Sie LED-Beleuchtungskonzepte für den Pflanzenanbau in Innenräumen

Die vielen Vorteile der LED-Beleuchtung werden immer häufiger für den Pflanzenanbau in Innenräumen ausgeschöpft, und das aus gutem Grund. LEDs sind sehr klein und leicht und haben eine mindestens 10 Mal längere Lebensdauer als andere Lichtquellen. Sie benötigen nur wenig Strom, sind sehr effizient, können verschiedene spektrale Wellenlängen erzeugen und sind mit digitalen Steuerungssystemen kompatibel. Die Gestaltung und Leistungsoptimierung von LED-Beleuchtungssystemen ist jedoch ein komplexes Unterfangen und erfordert äußerste Sorgfalt in Bezug auf deutlich mehr Messgrößen, als bei den vergleichsweise einfachen Vorgängersystemen erforderlich waren, in denen beispielsweise Natriumdampfhochdruckleuchten (HPS-Leuchten) zum Einsatz kamen.

In diesem Artikel wird nicht nur die Rolle der LEDs für den Pflanzenanbau in Innenräumen beschrieben, sondern auch die damit verbundenen Herausforderungen. Er enthält ferner Empfehlungen für den Einsatz der LEDs. Zusätzlich werden Beispiele für LEDs und zugehörige Komponenten für Pflanzenbauanwendungen in Innenräumen von Unternehmen wie OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio und Microchip Technology vorgestellt. Zum Abschluss betrachten wir neueste Entwicklungen bei der Ausnutzung des UV-Spektrums und weitere Anforderungen für die Optimierung von LED-Beleuchtungssystemen.

Das wachsende LED-basierte Ökosystem für den Pflanzenanbau

Der Übergang von HPS und anderen Lichtquellen zu LEDs für den Pflanzenanbau in Innenräumen wurde durch den massiven Ausbau des Marktes für Beleuchtungslösungen ermöglicht, der die Grundlage für immer schnellere Modernisierungen bot. Dadurch konnten die Vielseitigkeit, Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten von LEDs in den letzten Jahren erheblich verbessert werden. Ein Beispiel ist die GH CS8PM1.24-4T2U-1 von OSRAM, die im Spektrum von 646 bis 666 nm (rot) wirkt, eine Strahlungsleistung von 425 mW und einen Wirkungsgrad von 59 % bei einem Abstrahlwinkel von 80° bietet.

Das Modell SST-10-B von Luminous Devices liegt auf einer Wellenlänge von 450 nm (blau) und bietet eine Mindeststrahlungsleistung von 510 mW bei einem Wirkungsgrad von 57 %. Der Abstrahlwinkel kann zwischen 90° und 130° variieren. Für die Pflanzenzucht eingesetzte LEDs von Würth Elektronik beinhalten das Modell 150353GS74500 mit 525 nm (grün) und einem Betrachtungswinkel von 125°. Diese und andere Hersteller bieten für den Anbau in Räumen auch andere LEDs mit anderen Wellenlängen und decken damit das gesamte Spektrum ab, das für die Pflanzenzucht erforderlich ist (Abb. 1).

Abbildung 1: Die Absorptionsspektren von Pigmenten bei der Photosynthese sind im gesamten sichtbaren Spektrum von ca. 400 bis 700 nm weit verbreitet. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Beim Anbau von Pflanzen in Innenräumen sind mehrere wissenschaftliche Fachbereiche gefordert: die Botanik, Pflanzen- und Bodenkunde, das Anbaumanagement und jetzt auch elektronische Überwachungs- und Steuerungssysteme. Die Einführung einer neuen Lichtquelle in dieses Umfeld birgt neben Herausforderungen auch Vorteile, da neue Entwicklungen immer schneller umgesetzt werden. Wenn in Innenräumen optimale Bedingungen mit LED-Beleuchtung geschaffen werden, können wahrlich einzigartige Ergebnisse erzielt werden.

Ein häufig genanntes Beispiel ist die vertikale Salatfarm von Mirai in der japanischen Stadt Tagajo (Abb. 2). Diese mehr als 2300 m² große Einrichtung, die in den Reinräumen eines früheren Produktionsgebäudes von Sony untergebracht wurde, bringt seit 2015 jeden Tag Tausende Salatköpfe und andere Pflanzen hervor. Um dies zu erreichen, kommen 17.500 LEDs, keine Pestizide, 1/50 des normalerweise benötigten Wassers und 40 % weniger Lebensmittelabfälle in einem bakterienfreien Umfeld zum Einsatz.

Abbildung 2: Die vertikale Farm von Mirai ist die zweitgrößte weltweit und eine der ersten, die in Betrieb gegangen ist. (Bildquelle: National Geographic)

Vielseitigkeit mit Herausforderungen

Die Vielseitigkeit der LED ist einer der besonderen und wichtigsten Vorteile für den Pflanzenanbau in Innenräumen. Sie macht die Implementierung einer LED-basierten Farm in Innenräumen jedoch ironischerweise deutlich komplizierter. Dies liegt beispielsweise daran, dass die Leuchten dimmbar sind und ihre Treiber diese Funktion unterstützen müssen. Um pflanzenspezifische Wellenlängen zu erreichen, müssen zudem deutlich komplexere LED-Spezifikationen bekannt sein.

LEDs sind Halbleiterkomponenten. Daher müssen zusätzliche Faktoren beachtet werden, die für „Glühbirnen“ nicht relevant waren. Dies beinhaltet u. a. einen zuverlässigen und schnell wirkenden Überlastschutz und eine präzise Anpassung der Diode an den Steuerkreis. Glücklicherweise hat das schnelle Wachstum der Hortikultur, insbesondere des vertikalen Pflanzenanbaus, Herstellern von Beleuchtungskomponenten ausreichend Anreiz geboten, gesamte Ökosysteme für diesen Anwendungsbereich zu entwickeln. Dies beinhaltet Referenzdesigns, Evaluierungskarten und technische Literatur vom Einsteiger- bis zum Profi-Level, wodurch die Arbeit von Konstrukteuren deutlich vereinfacht wurde.

Ein häufiger Trugschluss unter Züchtern ist, dass LEDs weniger Wärme als HPS-Leuchten erzeugen. Dies ist nur dann der Fall, wenn die LED-Beleuchtung mit einer geringen Wattleistung betrieben wird. Eine mit 600 Watt betriebene LED-Leuchte und eine mit 600 Watt betriebene HPS-Leuchte erzeugen ungefähr dieselbe Wärme. Der Unterschied zwischen beiden ist, wie viel Lichtenergie erzeugt wird und wie die Wärme von der Leuchte abstrahlt.

Die von HPS-Lichtquellen erzeugte Wärme kann bis zu 427 °C erreichen und auf die Pflanzen strahlen. Die von LEDs erzeugte Wärme verbleibt dagegen dort, wo die Diode und die zugehörige Elektronik auf der Platine montiert wurden und strahlt nicht auf die Pflanze. Dies ist der wichtigste Grund, warum LEDs deutlich besser für den vertikalen Pflanzenanbau geeignet sind als HPS-Leuchten: Sie können in der Nähe der Pflanzen angebracht werden und verursachen keinen Schaden.

Ausgehend von der obigen Beschreibung wären also LEDs mit einer geringen Stromaufnahme die logische Wahl – und bei geschlossenen, mehrschichtigen Anwendungen ist dies normalerweise auch der Fall. Die meisten LEDs mit geringer Stromaufnahme weisen jedoch einen festen Abstrahlwinkel auf. Hochleistungs-LEDs sind dagegen mit einem Abstrahlwinkel im Bereich von 80 bis 150° verfügbar. Außerdem sind deutlich mehr LEDs mit geringer Leistung erforderlich, um die Leistung einer Hochleistungs-LED zu erreichen. Hochleistungs-LEDs sind meist die beste Wahl für Anwendungen mit Überdachung, in denen ihre höhere Leistung einen größeren Bereich aus einer gewissen Entfernung abdecken kann.

Die von den LED-Leuchten erzeugte Wärme tritt jedoch trotzdem auf und muss über das Wärmemanagementsystem schnell von der Platine abgeleitet werden. Anderenfalls nimmt die Lebensdauer der LEDs deutlich ab, und auch Komplettausfälle können auftreten. Die primären Kühlmethoden sind passive Vorrichtungen mit Kühlkörpern und aktiv gekühlte Vorrichtungen, in denen Lüfter oder Wasser zur Anwendung kommen. Letztere verbrauchen Energie und können – da es sich um mechanische Komponenten handelt – ausfallen, was dann zu einer Überhitzung der LEDs führen kann.

Optimierung der Lebensdauer

Hersteller geben für ihre LEDs normalerweise eine Lebensdauer von mindestens 20.000 Stunden und häufig bis 50.000 Stunden an. Zum Ende der Lebensdauer wird zudem von einer 70 %igen Reduzierung der Helligkeit im Vergleich zum ursprünglichen Wert ausgegangen. Das Ziel eines Entwicklers von LED-Beleuchtungssystemen besteht darin, das Erreichen der vorgegebenen Lebensdauer der LEDs sicherzustellen und gleichzeitig die größte Leistung im Laufe der Zeit durch Stabilisierung der Eingangsspannung und des Eingangsstroms zu erzielen. Dafür ist die Stromversorgung, insbesondere der LED-Treiber, verantwortlich, der ständig Daten von Temperatursensoren erfasst und Einstellungen vornimmt, um eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten. Ergänzend zu diesen Funktionen ist es wünschenswert, die Helligkeit der Lichtquellen in Echtzeit zu messen und auch diese Daten an den Treiber zu leiten. Spektralsensoren sind eine möglichst effektive und wenig komplexe Möglichkeit, dies zu erreichen.

So bietet ams beispielsweise eine Familie von Spektralsensoren, die das tatsächliche Spektralprofil von LEDs in Echtzeit messen und einen LED-Treiber direkt steuern, um die Leistung auf die geforderten Zielwerte für Chromatizität und Intensität einzustellen. Das Modell AS7263-BLGT verfügt über sechs unabhängige optische Filter, deren Spektralreaktion im Bereich 600 bis 870 nm (Abb. 3) liegt, wohingegen der AS7262-BLGT den Bereich 450 bis 650 nm abdeckt. Zusammen bieten sie die Möglichkeit, individuelle LEDs entweder in einer Fassung oder direkt auf Werkebene zu überwachen. Die Kommunikation erfolgt über textbasierte Meldungen über UART oder I²C. Diese Sensoren ermöglichen gemeinsam u. a. die Optimierung der Lebensdauer von LEDs und lassen gleichzeitig eine Trendbestimmung und andere Analysen zu.

Abbildung 3: Der Lichtsensor AS7263-BLGT ist für Wellenlängen zwischen 450 und 650 nm ausgelegt. Er gehört zur Familie von Spektralsensoren, die das Spektralprofil von LEDs in Echtzeit messen und einen LED-Treiber direkt steuern, um die Leistung auf die geforderten Zielwerte für Chromatizität und Intensität einzustellen. (Bildquelle: ams)

Schaltungsschutz

In den meisten Anwendungen ist es erforderlich, dass LED-Strings mit einer konstanten Stromversorgung gespeist werden. Bei der Entwicklung langer Strings kann sich dies als schwierig erweisen. Für den Schaltungsschutz sind mehrere Komponenten in einem Steuerungssystem erforderlich, denn der gesamte Steuerkreis – von der LED bis zu den passiven und aktiven Komponenten – muss vor Transienten geschützt werden. Die primäre Vorrichtung für den Überspannungsschutz ist ein Metalloxid-Varistor (MOV) am Spannungseingang, der eine hohe Unterdrückung der Transientenspannung bietet und gleichzeitig durch Ringwelleneffekte verursachte Belastungen reduziert. Potenziell destruktive Energie wird aufgenommen und als Wärme abgeleitet, was zum Schutz der Komponenten beiträgt. Der Schaltkreis eines Treibers für LED-Ketten beinhaltet normalerweise einen PTC-Widerstand, der die LEDs vor Überstrom und Übertemperatur schützt, und eine parallele TVS-Diode für den Überspannungsschutz. Die Leitungsgleichrichterschaltung sollte eine Hochspannungs-DC-Sicherung am Ausgang als sekundäres Schutzelement umfassen. Die Ergänzung einer mit der LED in Reihe geschalteten zurücksetzbaren Sicherung wird ebenfalls empfohlen, um thermische Instabilitäten zu verhindern.

Ein weiterer Aspekt, der beachtet werden muss, ist, dass der Pflanzenanbau in Innenräumen normalerweise relativ hohe Umgebungstemperaturen und eine hohe Luftfeuchtigkeit zur Förderung des Pflanzenwachstums erfordert. Das Beleuchtungssystem muss diesen Umgebungsbedingungen standhalten können. Im Gegensatz zu Leuchten in anderen Anwendungen, die während ihrer gesamten Lebensdauer stationär an einer Stelle verbleiben, müssen die Leuchten in vertikalen Farmen für ein Anheben, Absenken und die Neupositionierung zur Optimierung des Pflanzenwachstums ausgelegt werden. Dies hat einen Einfluss auf die Verdrahtungsanforderungen, die in UL 8000 beschrieben werden.

Überlegungen zum Treiber

Zwei Haupttypen kommen für Treiber zur Anwendung: Treiber, die eine geringe DC-Eingangsspannung nutzen, und solche, die eine hohe AC-Spannung benötigen. Der CL88030-E/MF von Microchip Technology ist beispielsweise für die direkte Steuerung einer langen Kette von Schwachstrom-LEDs mit Spannungen von 120, 230 oder 277 V_AC ausgelegt. Eine typische Anwendung beinhaltet den Treiber-IC, vier Leistungs-FETs, vier Widerstände, zwei Kondensatoren und einen Brückengleichrichter. Der integrierte Übertemperaturschutz soll neben der Leitungsregelung dafür sorgen, dass die Lichtausgabe mit steigenden Temperaturen schrittweise gesenkt wird. Ein zusätzlicher Übertemperaturschutz kann mit einem NTC-Thermistor erreicht werden (Abb. 4).

Abbildung 4: Im Anwendungsschaltkreis des sequenziellen Lineartreibers, Modell CL88030-E/MF von Microchip Technology, ist die Komponente mit einem Schutzkreis und MOV zu erkennen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs ist vom Treiber, von der Eingangsspannung und den elektrischen Vorschriften und Sicherheitsnormen abhängig. Wenn LEDs in nur einer Reihe geschaltet werden, ist nur ein Treiber und ein gleichmäßiger Stromfluss durch jede LED erforderlich. Dies führt jedoch zu einer hohen Ausgangsspannung und somit zu größeren Schaltkreiskomponenten. Weiterhin müssen möglicherweise zusätzliche Sicherheitsnormen berücksichtigt werden.

Ein Reihen-Parallel-Array hat eine geringere Eingangsspannung und ein geringeres Risiko für elektrische Schläge. Wenn ein LED-Zweig ausfällt, leuchten die anderen Zweige weiter. Der Ausfall einer LED führt nicht zur Deaktivierung des gesamten Arrays. Da der Treiber für eine konstante Stromversorgung sorgt, wird allerdings mehr Strom in die noch aktiven Komponenten geleitet, was zu einer möglichen Überhitzung führen kann. Das Reihen-Parallel-Array lässt zudem nur dann zu, dass LEDs den Antriebsstrom gleichmäßig aufteilen, wenn die LED-Durchlassspannungen sehr ähnlich sind.

Eine Lösung für diese Probleme besteht darin, für jeden LED-String einen Treiber zu verwenden. Dies bietet die größte Betriebssicherheit, erhöht jedoch die Kosten und die Größe. Mit diesem Konzept ist eine Lichtabgabe auch dann noch möglich, wenn mehr als eine LED-Kette ausfällt.

UV-Licht oder nicht?

Unter Wissenschaftlern und innerhalb der Industrie ist die potenzielle Verwendung von LEDs im nicht sichtbaren UV-B-Bereich des Spektrums zwischen 280 und 385 nm für den Pflanzenbau immer wieder ein Thema. UV-Licht war für den Pflanzenanbau in Innenräumen im Allgemeinen weniger interessant, da das Licht außerhalb photosynthetisch aktiver Wellenlängen liegt. Aus diesem Grund wurde bis vor 15 Jahren nur relativ wenig Forschung in diesem Bereich betrieben.

Ein weiterer Faktor, der das Interesse an diesem Spektralbereich weiter begrenzt, ist die Sicherheit, denn UV-B-Photonen verursachen bekanntlich Zellschäden in Menschen und Pflanzen. Hersteller von Beleuchtungslösungen setzen tatsächlich umfangreiche Maßnahmen um, damit das von ihren Geräten ausgestrahlte UV-Licht deutlich reduziert wird. Somit würde der Einsatz von UV-Licht für den Pflanzenanbau in Innenräumen erhebliche Schutzmaßnahmen für alle Personen bedürfen, die in diesen Räumen tätig sind.

Was schließlich das Interesse der Betreiber vertikaler Farmen und der Landwirtschaft allgemein geweckt hat, ist die Reaktion der Pflanzen auf UV-B-Licht, das dazu führt, dass diese ihre Verteidigungsmechanismen zum Schutz gegen diese Wellenlängen aktivieren. Studien ergaben, dass einige Pflanzen beim Kontakt mit UV-B-Licht zur Verteidigung bis zu 15 verschiedene Proteine produzieren. Einige dieser Proteine beeinträchtigen den Geruch, den Geschmack und die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber Krankheiten. Bei anderen Wellenlängen wurde dies nicht beobachtet.

Ein wenig Licht in dieses trübe und strittige Thema brachte die Entdeckung eines UV-B-spezifischen Photorezeptors (UVR8) Anfang der 2000er, der 2011 konkret bestimmt wurde. Die Mechanismen zur Regulierung der Genexpression durch UVR8 sind noch nicht geklärt, ebenso wenig wie die UVR8-Pfadfunktionen und deren Interaktion mit anderen Pfaden, die von anderen Photorezeptoren kontrolliert werden.

Dennoch wurden die potenziellen Vorteile des UV-B-Lichts inzwischen in der Literatur erwähnt – u. a. ein geringeres Wachstum der Triebe, eine größere Blattstärke und Wachsigkeit, eine intensivere Blattfärbung bei rotem Salat und anderen Pflanzen, eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Krankheitserregern und Insekten, eine Verdoppelung der Haltbarkeit, eine stärkere Produktion vorteilhafter Antioxidanzien und Flavonoide und ein verbesserter Nährwert von Obst und Gemüse.

Inwieweit diese große Menge angeblicher Vorteile tatsächlich erreicht wird und ob sich der erhebliche Zeitaufwand und die hohe Investition in Ausrüstung und Schulungen zur Gewährleistung der Sicherheit in Bezug auf UV-B-Beleuchtung für den Pflanzenanbau in Innenräumen tatsächlich lohnen, erfordert immer noch einen erheblichen Forschungsaufwand. Zwischenzeitlich können UV-LEDs verwendet werden, die ursprünglich für andere Anwendungen entwickelt wurden. So beispielsweise die UV-LED RVXR-280-SB-073105 (Starboard) von RayVio mit einer spektralen Wellenlänge von 280 nm.

Fazit

Die Flexibilität der LEDs birgt auch Herausforderungen, die über die vergleichsweise einfachen Lichtquellen wie HPS hinausgehen. Dennoch ist die Fähigkeit, mehr Pflanzen auf einem geringeren Raum ohne Chemikalien und mit deutlich weniger Boden (oder gar keinem) anzubauen und dabei einen höheren Nährwert von Gemüse und eine bessere Blütenbildung bei Pflanzen zu erreichen, sehr attraktiv. Die Hersteller von Beleuchtungslösungen und Halbleiterkomponenten vereinfachen daher die Anwendung von LED-Beleuchtung mit hervorragend unterstützten Lösungen und verbessern gleichzeitig die zugrunde liegende Technologie.