Die elektromagnetische Strahlung, die von LED-Wachstumslampen für den Gartenbau erzeugt wird, zielt auf das aktive Spektrum der Photosynthese, Photomorphogenese, Photoperiode und Phototropismus in Pflanzen ab. Neben hoher Energieeffizienz und beschleunigter Rendite, gartenbau führte wachsen lichter bieten eine beispiellose Spektralkontrolle, die für Gartenbaubeleuchtung unerlässlich ist.

Gartenbau-LED-Growlights sind Festkörperlichtquellen, die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) im Spektralbereich von 400 bis 700 Nanometer (nm) erzeugen, um die Photosynthese in Pflanzen anzutreiben. Darüber hinaus können LED-Wachstumslampen für den Gartenbau verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, die auf das aktive Spektrum der Photomorphogenese, Photoperiode und Phototropismus in Pflanzen abzielt. Beleuchtungssysteme für den Gartenbau wurden entwickelt, um zusätzliches photoperiodisches Licht in einer Gewächshausumgebung oder eine einzige photosynthetische Lichtquelle in einer kontrollierten Innenumgebung bereitzustellen. Der Einsatz von energie- und spektral effizienter LED-Technologie in Gewächshausleuchten hat eine Revolution ausgelöst Zimmerpflanzenlampe.

Wie wirkt sich Licht auf das Pflanzenwachstum aus?

Licht ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich. Alle Pflanzen, einschließlich Blüten-, Frucht- und Gemüsepflanzen, sind Autotrophe, die sich entwickelt haben, um Licht zum Antreiben der Photosynthese zu nutzen. Photosynthese ist der Prozess, den Pflanzen verwenden, um Wasser und Kohlendioxid in komplexe Kohlenhydrate (Zucker) und Sauerstoff umzuwandeln. Diese Kohlenhydrate, wie Zellulose oder Glukose, liefern Stoffwechselbausteine für verschiedene Biosynthesewege. Überschüssige Kohlenhydrate werden für die Bildung von Biomasse verwendet, einschließlich Stängelverlängerung, Vergrößerung der Blattfläche, Blüte, Fruchtbildung usw. Die für die Photosynthese verantwortlichen Photorezeptoren sind Chlorophyll, obwohl auch andere Arten von Antennen-Photorezeptoren (hauptsächlich Carotinoide) die Photosynthese erleichtern. Zusätzlich zum Antreiben der Photosynthese werden bestimmte Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung als Informationsquelle verwendet, um die Photomorphogenese (durch Licht verursachte Veränderungen in der Pflanzenmorphologie), die Photoperiode (Reaktion auf Hell-Dunkel-Zyklen) und den Phototropismus (Wachstumsrichtung) anzutreiben. Jeder Photorezeptortyp ist empfindlich gegenüber bestimmten Wellenlängen und treibt eine andere Teilmenge von morphogenetischen Veränderungen des Lichts an.

Chlorophyll ist ein wichtiger Photorezeptor in grünen Pflanzen und kommt in zwei Hauptformen vor, A und B. Chlorophyll A ist das wichtigste Pflanzenpigment, das etwa 751 TP2T der photosynthetischen Aktivität ausmacht, mit Spitzenabsorptionsreaktionen bei 430 nm und 680 nm. Chlorophyll B mit Absorptionsspitzen bei 460 nm und 640 nm ist ein Hilfspigment, das Energie sammelt und an Chlorophyll A überträgt. Daher ist Chlorophyll B nicht unabhängig an der Biosynthese beteiligt. Darüber hinaus weist das 3:1-Verhältnis von Chlorophyll A zu B in Pflanzen auf eine große Abhängigkeit von Pflanzen von Chlorophyll A bei der Photosynthese hin. Obwohl der Chlorophyllgehalt unter elektromagnetischer Strahlung ansteigt, deren Spektralkomponenten reich an Rot (lange Wellenlängen) und Blau (kurze Wellenlängen) sind, reflektiert Chlorophyll die meisten Wellenlängen im grünen Bereich (550 nm bis 650 nm), wo Blätter erscheinen. Grund ist grün.

Die Familie der Carotinoide umfasst Beta-Carotin und die wichtigsten Luteine (Zeaxanthin, Violaxanthin und Lutein). Diese Sekundärmetabolite absorbieren Licht am stärksten im Bereich von 450 nm bis 550 nm. Carotinoide sind gelb bis orange, weil sie Licht im Wellenlängenspektrum von etwa 550 bis 650 nm reflektieren oder durchlassen. Carotinoide unterstützen nicht nur die Photosynthese, sondern schützen auch das Chlorophyll vor Photooxidation, indem sie überschüssiges Licht als Wärme abführen, wenn der photosynthetische Bereich mit Eingangsenergie überlastet ist.

Pflanzen haben auch Nicht-Photorezeptoren und nicht-photomorphogene Antennenpigmente, wie Anthocyane und Flavonoide. Sie wirken als Sonnenschutzmittel und blockieren die Superoxidproduktion als Reaktion auf hochintensive blaue (400–500 nm) oder ultraviolette (300–400 nm) Strahlung. In Pflanzen sind Anthocyane, Flavonoide und Carotinoide wichtige bioaktive Antioxidantien, die freie Radikale hemmen und Verbindungen eliminieren, die zu Photobleichung und Wachstumshemmung führen können.

Die Photomorphogenese wird durch Phytochrome, Cryptochrome und Phytochrom-Photorezeptoren vermittelt. Es gibt zwei Isomere von Phytochromen, genannt Pr und Pfr, die auf 660 nm rote bzw. 735 nm infrarote Strahlung ansprechen. Verschiedene durch Phytochrome vermittelte photomorphogenetische Reaktionen werden an Stoffwechselwege innerhalb von Pflanzen gesendet, die die Samenkeimung, die Wurzelentwicklung, die Bildung von Knollen und Zwiebeln, die Blattausdehnung, die Stängelverlängerung, die Ruhephase, die Blüte und die Fruchtproduktion regulieren. Cryptochrome, die Licht im Bereich von 340 nm bis 520 nm absorbieren, verhindern eine Hypokotylverlängerung und vermitteln die Mitnahme von zirkadianen Rhythmen in Blütenpflanzen. Phototropine sind in der Plasmamembran lokalisierte Proteinkinasen, die den Phototropismus, die Ansammlung von Chloroplasten, die Porengröße der Stomata, das Abflachen der Blätter und die Hemmung der Blattausdehnung regulieren.

Was sind die Vorteile von LED in der Gartenbaubeleuchtung?

Hohe Energieeffizienz und lange Lebensdauer sind die herausragenden Vorteile der LED-Technologie. In der Gartenbaubeleuchtung hat Effizienz eine andere Bedeutung. Traditionell haben Beleuchtungssysteme im Gartenbau Natriumhochdrucklampen (HPS), Metallhalogenidlampen (MH) oder in einigen Fällen Leuchtstofflampen verwendet. Die Energieumwandlungseffizienz dieser Lichtquellen ist jedoch sehr gering (normalerweise unter 20%). Im Vergleich dazu ist die Wall-Plug-Effizienz von LED-Chips so hoch wie 66%, während die Strahlungseffizienz von Leuchtstoff-konvertierten LEDs viel höher als 40% ist.

In dieser Branche wird die Lichtquellen- oder Systemeffizienz in Photoneneffizienz umgerechnet, die die Effizienz einer LED bei der Erzeugung eines photosynthetischen Photonenflusses (PPF) pro Joule verbrauchter elektrischer Energie quantifiziert, anstatt sie mit dem menschlichen Auge zu beschreiben. PPF ist die Gesamtmenge an photosynthetisch aktiven Photonen, die von einer Lichtquelle erzeugt werden, gemessen in Mikromol pro Sekunde (µmol/s). Die Photoneneffizienz von Gartenbau-LEDs wird in PPF/W und in µmol/J gemessen. In der Praxis können LED-Zuchtlampen eine Photoneneffizienz von 3,2 PPF/Watt erreichen, während typische HPS-Zuchtlampen nur 1,7 PPF/Watt erreichen können.

Spectral Engineering war von Anfang an ein zentrales Thema in der Gartenbaubeleuchtung. Wie bereits erwähnt, ist die optische Bandbreite zwischen 400 und 700 nm ein wesentlicher Teil des elektromagnetischen Spektrums und kann Phytochrome zur Photosynthese anregen. Selbst innerhalb des PAR-Spektrums sind nicht alle Lichtwellenlängen gleich effektiv, um die Photosynthese von Pflanzen anzutreiben. Rote und blaue Wellenlängen stimulieren am effektivsten die Photosynthese und kontrollieren die Pflanzenmorphologie, während Wellenlängen, die in den grünen Teil des PAR-Bereichs fallen, nur sehr begrenzte Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum haben.

Die spektrale Effizienz beschreibt, wie stark sich die spektrale Leistungsdichte (SPD) einer Lichtquelle mit dem Aktionsspektrum überschneidet, das für die effizienteste photosynthetische Reaktion erforderlich ist. Die spektrale Effizienz von HPS-, MH- und Leuchtstofflampen ist schlecht, da ihre SPDs einen erheblichen Anteil an photosynthetisch inaktivem Licht wie Infrarotstrahlung (IR) und Ultraviolettstrahlung (UV) enthalten. Die feste SPD dieser Breitbandquellen bedeutet, dass photosynthetisch aktive Strahlung bei einigen Wellenlängen übersättigt und bei anderen untersättigt sein kann.

Eine bessere spektrale Kontrolle ist einer der grundlegenden Vorteile, die LEDs gegenüber herkömmlichen Beleuchtungssystemen für den Gartenbau bieten. LEDs sind im Wesentlichen monochromatische Lichtquellen, die in einem schmalen Spektralband emittieren und farbiges Licht wie Rot, Blau oder Grün erzeugen. Das schmalbandige Spektrum, das von der LED emittiert wird, kann leicht abgestimmt werden, um dem photosynthetischen Peak der PAR-Kurve zu entsprechen. Schmalband-LEDs können durch Leuchtstoffe in polychromatisches Licht umgewandelt werden, um ein breiteres Spektrum zu erhalten und das Wachstum von Pflanzen über den gesamten Zyklus zu unterstützen. Mehrkanal-LEDs in RGB-, RGBA- oder RGBW-Kombinationen können überlagert und gemischt werden, um jede Farbe in der LED zu erzeugen, was eine beispiellose spektrale Flexibilität und Effizienz ermöglicht.

Im Gegensatz zu Metallhalogenid- und Natriumdampf-Hochdrucklampen, die große Mengen an Infrarotenergie (Wärme) in ihren Strahlen abgeben, strahlen LEDs in ihrem Spektrum keine thermische Infrarotenergie aus. Das Fehlen von Strahlungswärme ermöglicht eine maximale Photonenbestrahlung in der Nähe des Pflanzendachs, was letztendlich zu einer besseren photosynthetischen Produktivität führt und gleichzeitig Platz und Energie spart. Der hohe Strahlungswärmefluss von HPS Lichtlampe wachsen erfordert einen gewissen Abstand zwischen der Lichtquelle und den Pflanzen, daher können diese Lampen nur in Deckenbeleuchtungsanwendungen verwendet werden. Die LED-Technologie ermöglicht neue Strategien, wie z. B. Interlighting, um eine gleichmäßige photosynthetische Beleuchtungsstärke im gesamten Baldachin zu erreichen, ohne unnötige Wärme zu erzeugen.

Wie werden Gartenbau-LED-Wachstumslampen hergestellt?

Die Epitaxieschichten von LED-Wachstumslampen für den Gartenbau bestehen aus Halbleitern mit direkter Bandlücke, da sie eine höhere Wahrscheinlichkeit einer Strahlungsrekombination haben als Halbleiter mit indirekter Bandlücke. Die beiden wichtigsten Halbleiterfamilien sind Nitriddioden und Phosphiddioden. Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) erzeugt elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums und wird daher zur Herstellung von weißen, grünen, cyanfarbenen, blauen und königsblauen Dioden verwendet. Rotes, orange-rotes und bernsteinfarbenes Licht kann mit LEDs erzeugt werden, die aus Phosphid-Halbleitern wie Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) bestehen, dessen kleiner Bandabstand es der Diode ermöglicht, längerwellige Strahlung zu erzeugen.

InGaN-Epischichten werden auf Saphir-, Siliziumkarbid- (SiC) oder Siliziumsubstraten (Wafern) gezüchtet, während AlInGaP-Epischichten auf Galliumarsenid-(GaAs)- oder Galliumphosphid-(GaP)-Substraten gezüchtet werden. Hochwertiges epitaxiales Wachstum hängt von der Gitteranpassung des Substratmaterials an die InGaN- oder AlInGaP-Schicht ab. Jede Fehlanpassung zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht kann zu Mikrorissen (Fadenversetzungen) führen. Diese Art von Atomdefekt bewirkt, dass die Rekombination zwischen Elektronen und Löchern strahlungslos erfolgt, wodurch die interne Quanteneffizienz (IQE) der LED beeinträchtigt wird. Fadenversetzungen bilden sich bei der höchsten Dichte auf Silizium- und saphirbasierten GaN-LEDs. Im Vergleich zu Chips mit Silizium- oder Saphir-Substraten erzeugen SiC-Substrate weitaus weniger Versetzungen und liefern einen Effizienzvorteil von 5% bis 10%.

LED-Wachstumsleuchten für den Gartenbau können in zwei Kategorien unterteilt werden: Vollspektrum-LEDs und Schmalband-LEDs. Voll- (oder Breit-)Spektrum-LEDs bieten die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts ohne Wärmestrahlung und Wellenlängenverschwendung. Die Formulierungen dieser LEDs konzentrieren sich auf die blauen und roten Regionen und bieten gleichzeitig zusätzliche Wellenlängen wie fernes Rot und Grün, um die Kultivierung über den gesamten Zyklus und die vollständige Pflanzenentwicklung zu unterstützen. Schmalband-LEDs bieten eine monochromatische Ausgabe, um die am meisten gewünschten Lichtwellenlängen zu maximieren. Diese LEDs sind in den Farben Deep Blue (450 nm), Ultra Red (660 nm), Far Red (730 nm) und Green (530 nm) erhältlich. Violette LEDs sind weder Vollspektrum- noch Schmalband-LEDs, sondern vereinen die Schlüsselwellenlängen Rot und Blau in einem Gehäuse und sind Standard auf dem Markt. Violette LEDs können auch mit kalkfarbenen Breitspektrum-LEDs gemischt werden, um den Ertrag (Frischgewicht) und die Antioxidantienwerte zu erhöhen und gleichzeitig hochwertiges weißes Licht zu erzeugen, um die visuelle Inspektion und Pflanzenernte zu unterstützen.

Vollspektrum-LEDs und violette LEDs nutzen Wellenlängenumwandlung und Farbmischung, um die gewünschte Wellenlängenmischung zu erreichen. Die LED-Chips sind mit einer Leuchtstoffmischung beschichtet oder darauf verzichtet, deren Funktion darin besteht, einen Teil der kurzen Wellenlängen in längere Wellenlängen herunterzuwandeln. Daher werden diese LEDs als phosphorkonvertierte LEDs (PC-LEDs) bezeichnet. In PC-LED-Architekturen machen Stokes-Verluste aufgrund der Phosphor-Abwärtswandlung einen großen Teil der gesamten LED-Energieverschwendung aus. Schmalband-LEDs sind direkte Emitter und unterliegen keiner Phosphor-Abwärtswandlung, sodass sie nicht unter Stokes-Verlusten leiden.

Phosphorkonvertierte LEDs und Schmalband-LEDs werden typischerweise in Silikon eingekapselt. Der Unterschied besteht darin, dass bei PC-LEDs der Leuchtstoff mit einem Silikonpolymer gemischt wird, um als Abwärtswandler und schützende Verkapselung zu fungieren, während bei Schmalband-LEDs ein transparentes Silikonpolymer verwendet wird, um Verunreinigungen fernzuhalten und den Chip vor mechanischen Einflüssen zu schützen Schock. Die Siliziumverkapselung hat eine hohe thermische Stabilität, Lichtstabilität und chemische Beständigkeit. In praktischen Anwendungen ist jedoch ein zusätzlicher Schutz von LEDs erforderlich, da die hohe Feuchtigkeits- und Gasdurchlässigkeit von Silikonen ein Verschlechterungsfaktor für Dioden in Anbauumgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit sein kann.

Arten von LED-Wachstumsleuchten für den Gartenbau

PLCC-LEDs mit mittlerer Leistung (oberflächenmontierte Geräte, die weniger als 1 Watt verbrauchen) sind die beliebtesten Lichtquellen für die Allgemein- und Gartenbaubeleuchtung, da sie im Vergleich zu anderen Arten von Gehäusen eine relativ höhere Effizienz und niedrigere Kosten aufweisen. Dieser LED-Typ ist jedoch sehr anfällig für beschleunigten Leistungsabfall und vorzeitigen Ausfall. Infolgedessen führen sehr wettbewerbsfähige Anschaffungskosten oft nicht zu einem guten Return on Investment (ROI), langen Amortisationszeiten und Seelenfrieden. PLCC ist die Abkürzung für Plastic Leaded Chip Carrier. Die Chips für LEDs mit mittlerer Leistung, die diese Architektur verwenden, sind auf einem mit Silber (Ag) beschichteten Metallleiterrahmen montiert, der in ein Kunststoffgehäuse eingegossen ist, in dem ein reflektierender Hohlraum zur Verbesserung der Lichtextraktion ausgebildet ist. Der Hohlraum wird mit einem transparenten oder phosphoreszierenden Hybridsilikonpolymer gefüllt, um den Chip einzukapseln. Die elektrische Verbindung und der Wärmepfad zwischen dem LED-Chip und dem Leiterrahmen werden durch Drahtbonden hergestellt. Das Hohlraum- oder Kunststoffgehäuse preiswerter Produkte besteht aus Polyphthalamid (PPA) oder Polycyclohexylterephthalat (PCT), die eine schlechte Beständigkeit gegen Photooxidation und thermischen Abbau aufweisen. Die Silberplattierung des Leiterrahmens ist aufgrund von Wechselwirkungen mit schwefelhaltigen Verunreinigungen, die durch die Silikonverkapselung in die LED eindringen können, korrosionsanfällig. Die in PLCC-Gehäusen verwendeten Drahtverbindungen können brechen. Ineffiziente Wärmeleitpfade können zu einer Konzentration des Wärmeflusses führen, der eine hohe thermische Belastung in die LED einbringen kann.

Auf Keramiksubstraten hergestellte Hochleistungs-LEDs verfügen über einen robusten Wärmeleitungspfad, der in der Lage ist, eine hohe photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) an das Pflanzendach zu liefern. Hochleistungs-LEDs können mit Strömen im Bereich von Hunderten von Milliampere bis über einem Ampere betrieben werden und photosynthetische Photonenflüsse von über 10 µmol/s aus einem einzigen Gehäuse erzeugen. Große Chips oder Multi-Chip-Arrays werden auf einem Keramiksubstrat montiert, das zur effizienten Wärmeableitung mit thermischen Vias metallisiert ist. Hervorragende PPF-Wartung und Wellenlängenstabilität rechtfertigen die höheren Kosten dieser Gartenbau-LEDs auf Keramikbasis.

Chip-on-Board (COB)-LEDs bieten eine große lichtemittierende Oberfläche (LES), die hohe und gleichmäßige PPFD-Werte über die gesamte Kappe liefert. COB-LED-Gehäuse bestehen aus einer dichten Anordnung von LED-Chips, die auf eine Metallkern-Leiterplatte (MCPCB) oder ein Keramiksubstrat gebondet sind. Dieses große Substrat mit niedrigem Wärmewiderstand ermöglicht einen besseren Wärmekontakt mit einem flachen, sauberen Kühlkörper. Das Entfernen des Zwischensubstrats verringert den thermischen Widerstand des Gehäuses. Ein effizientes thermisches Design ermöglicht es COB-Gehäusen, bei hohen Stromdichten zu arbeiten und PPFs von bis zu Hunderten von Mikromol pro Sekunde zu liefern.

Chip Scale Package (CSP)-LEDs eliminieren Drahtbonds und Submounts mit einer Flip-Chip-Architektur. Diese Technologie reduziert den thermischen Widerstand innerhalb des Gehäuses erheblich, wodurch die Größe und die Kosten des Gehäuses reduziert werden. CSP-LEDs adressieren grundlegend die Leistungsminderungsfaktoren von PLCC-Typ-Mittelleistungs-LEDs und machen sie zu einer attraktiven Lösung für die Beleuchtungsindustrie im Gartenbau.