Projekti: Quantum LED ePAR valaisin

Sisällysluettelo

Johdanto

Valaistus on yksi tärkeimmistä tekijöistä, kun puhutaan sisäkasvien viljelystä. Monella kasvilla on hieman eri tarpeita, mutta itse keskityn lähinnä tomaatteihin. Osalla tomaatti lajikkeista on taipumus reagoida UV ja far-red aallonpituuksien puutteeseen kehittämällä intumescence tilan, joka on kasvuhäiriö jossa lehtien pintaan, varsiin tai jopa hedelmiin muodostuu pieniä, pullistuneita rakkuloita tai paksuuntumia. Haluan kasvattaa sisätiloissa ilman luonnonvaloa terveitä tomaatteja ja tässä kuvaan astuu ePAR (extended Photosynthetically Active Radiation). Tarkoituksena rakentaa tehokas valaisin, joka tarjoaa täydellisen valospektrin kasvuun ja kehitykseen. Toisin kuin perinteiset PAR-valaisimet, jotka keskittyvät pääasiassa 400-700nm valospektriin, ePAR valaisin laajentaa tätä spektriä sisältämään sekä ultraviolettia (UV) että far-red (FR) valoa.

Terminologiaa liittyen valoon ja spektriin

PAR ja ePAR

• PAR (Photosynthetically Active Radiation): Tämä viittaa valon aallonpituusalueeseen (noin 400-700 nanometriä), joka on fotosynteesille aktiivinen tietyn määrityksen mukaisesti. Tämä alue sisältää näkyvän valon spektrin, jonka kasvit pystyvät hyödyntämään yhteyttämiseen.

• ePAR (Extended Photosynthetically Active Radiation): Laajennettu versio PAR:sta, joka kattaa laajemman aallonpituusalueen. Se sisältää aallonpituuksia, jotka eivät perinteisesti kuulu PAR-alueeseen mutta jotka voivat silti vaikuttaa kasvien kasvuun ja kehitykseen, kuten tietyt ultraviolettivalon (UV) ja far-red (FR) alueet.

DLI (Daily Light Integral)

• DLI: Mittaa kokonaisvalomäärän, jonka kasvi vastaanottaa päivän aikana, ilmaistuna molekyyleinä valoa neliömetriä kohti päivässä (mol/m²/d). Se on tärkeä mittari kasvien kasvun ja kehityksen kannalta, sillä se kuvastaa yleistä valon saatavuutta vuorokauden aikana.

PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)

• PPFD: Ilmaisee, kuinka monta fotosynteettisesti aktiivista (PAR) fotonia (valon kvanttia) osuu tietylle pinta-alalle sekunnissa, yksikkönään mikromoolit sekunnissa neliömetriä kohti (μmol/m²/s). PPFD on keskeinen mittari valaistuksen tehokkuuden arvioimisessa kasvatustiloissa.

PPF (Photosynthetic Photon Flux)

• PPF: Mittaa, kuinka monta fotosynteettisesti aktiivista fotonia valaisin tuottaa sekunnissa, yksikkönään mikromoolit sekunnissa (μmol/s). PPF kertoo valaisimen kokonaisvalotehosta fotosynteesiä varten

PPE (Photosynthetic Photon Efficacy) ja μmol/j

• PPE (Photosynthetic Photon Efficacy): Kuvaa, kuinka tehokkaasti valaisin muuntaa käyttämänsä energian (jouleina) fotosynteettisesti aktiiviseksi valoksi (μmol), ilmaistaan mikromooleina joulea kohden (μmol/J). Se on avainmittari arvioitaessa valaisimen energiatehokkuutta kasvien valaistuksessa.

Rakentamisen vaiheet

Komponenttien valinta

Kaikki alkoi komponenttien valinnasta. Halusin käyttää valmista 24Vdc virtalähdettä, mutta rakentaa itse LED ajuri (driver) piirin itse. Valitsin AL8861 driverin sydämeksi järjestelmälleni. AL8861 oli mielestäni hyvä valinta ominaisuuksiensa puolesta. Ominaisuudet, kuten OTP (overtemperature protection), pieni määrä ulkoisia komponentteja, PWM himmennys, laaja jännitealue ja 1.5A virta. Hyötysuhde on jopa 97%, joka mahdollistaa erittäin hyvän energiatehokkuuden. LEDien toimintaan vaikuttaa lämpötila merkittävästi. Lämpötilan noustessa LEDin sisäinen vastus pienenee, mikä ilman vakiovirtalähdettä (tässä driver) johtaisi virran kasvuun ja lämpenemisen kiihtymiseen (thermal runaway). Vakiovirtalähde kompensoi lämpötilan vaikutusta säilyttäen virran vakiona muuttamalla jännitettä.

Pääasiallisena valonlähteenä päätin käyttää Samsung LM301H evo -lediä. Se tarjoaa korkean valotehon, hyötysuhteen ja on suunniteltu erityisesti kasveille. Hyvä hyötysuhde vähentää tarvetta jäähdytykselle.  

Valaisimen komponentit:

• Samsung LM301H evo LED
• TOMEGO UV-B 310nm LED
• 365nm LED
• 660nm LED
• 730nm LED
• AL8861 driveri
• Keraaminen kondensaattori
• Kela
• Schottky diodi
• Vastus

Suunnittelu EasyEDA Ohjelmalla

Seuraavaksi siirrymme valaisimen suunnitteluun käyttäen EasyEDA-ohjelmistoa. Tämä vaihe sisältää piirilevyn (PCB) layoutin suunnittelun ja komponenttien sijoittelun varmistaen, että kaikki osat toimivat saumattomasti yhteen. Kustannus syistä valaisimen tehoksi tulee noin 35W ja kooksi 20x15cm. Teen näitä yhteensä kymmenen joka tarkoittaa 350W edestä valovoimaisia valaisimia eri käyttötarkoituksiin.

Tilaaminen

Kun suunnittelu oli valmis, tilasin alumiinipohjaisen piirilevyn, joka auttaa tehokkaassa lämmön hallinnassa ja mahdollistaa sopivasti mitoitettuna passiivisen jäähdytyksen. Mittasin jälkikäteen noin 45°c lämpötilan täydellä teholla. Samanaikaisesti piirilevyn valmistuksen kanssa tilasin tarvittavat elektroniset komponentit ja LEDit. Tässä vaiheessa oli tärkeää kerrata, että kaikki osat ovat yhteensopivia ja saapuvat ajoissa kokoonpanoa varten.

Kasaaminen

Kun kaikki osat olivat saapuneet, aloitin kokoonpanon levittämällä juotospastaa piirilevyn juotosalueille stensilin avulla. Tämä menetelmä takaa tarkan ja siistin juotoksen jokaiselle komponentille.

Tämän jälkeen asetin komponentit huolellisesti paikoilleen piirilevylle. Tarkkuus tässä vaiheessa on kriittinen, sillä virheet voivat johtaa toimimattomaan valaisimeen ja vaikka korjaaminen on mahdollista kannattaa käyttää hieman aikaa asetteluun. Komponenttien asettamisen jälkeen piirilevy siirtyi uuniin, missä juotospasta kuumenee ja luo vahvat juotokset komponenttien ja piirilevyn välille. Käytin Chipquickin 165ºc juotospastaa, joka mahdollistaa kohtalaisen matalien lämpötilojen käytön.

Viimeisessä vaiheessa testasin valmiin valaisimen toimivuuden. Tämä sisälsi virran, valotehon ja lämpötilan mittauksia varmistaakseni, että kaikki toimii suunnitellusti. Onnistuneen testauksen jälkeen muutama valaisimista pääsi kasvatuskaappiin juuri sopivasti itäneiden tomaatin taimien kasvuvaloksi. 

Turvallisuus

Huomioithan että on olennaista ymmärtää valon voimakkuuden mahdolliset riskit. Vaikka valaisin on suunniteltu tarjoamaan tehokasta valaistusta kasveille, sen korkea valon intensiteetti voi aiheuttaa silmävaurioita, jos siihen katsotaan suoraan. Tämän vuoksi on äärimmäisen tärkeää, ettei mihinkään LED valaisimeen katsota suoraan missään olosuhteissa.Vaikka UV-B LEDin optinen teho on suhteellisen matala, tässä tapauksessa 5mW, on silti tärkeää ymmärtää niiden käytön mahdolliset riskit, käyttää asianmukaisia suojavarusteita ja olla katsomatta suoraan valaisimeen.