基于多光質(zhì)燈珠的光配方動(dòng)態(tài)可調(diào)LED植物燈及其控制器設(shè)計(jì)

程 敏，季 清，吳仁杰，黃 蓉

(蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

引言

植物補(bǔ)光技術(shù)使用人工光源作為自然光的補(bǔ)充，能夠在植物的生長(zhǎng)過程中提供更合適的光照環(huán)境，對(duì)光合作用、形態(tài)建成和物質(zhì)代謝產(chǎn)生積極作用。然而，光照環(huán)境在植物生長(zhǎng)所需的所有環(huán)境因子中最復(fù)雜、最難調(diào)節(jié)。近年來(lái)，植物光質(zhì)生理學(xué)的研究也表明，不同類型的植物在不同階段所需要的最優(yōu)光照條件也存在差異。如何通過人工光源對(duì)光照參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，對(duì)構(gòu)建和應(yīng)用最優(yōu)光配方非常重要，成為促進(jìn)植物生長(zhǎng)植物補(bǔ)光的技術(shù)關(guān)鍵。

光照環(huán)境的參數(shù)主要包括光照強(qiáng)度、光周期和光質(zhì)三個(gè)部分，稱為光配方[1]。光照強(qiáng)度是光照環(huán)境中最為直觀的因子，它對(duì)植物生長(zhǎng)也起決定性作用。對(duì)于絕大多數(shù)植物而言，它們的光合作用效率一般與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)狀態(tài)，直到光照強(qiáng)度達(dá)到光飽和點(diǎn)。光周期是指晝夜周期中光照明期和暗期長(zhǎng)短的交替變化，太陽(yáng)光照的光周期即為白天與黑夜的交替。光周期調(diào)控對(duì)于誘導(dǎo)開花很重要[2]，且不同植物所需的光周期也有所不同[3，4]。光質(zhì)即光譜分布，植物對(duì)于不同波長(zhǎng)的光照的吸收強(qiáng)度是不一樣的。植物通過光合色素來(lái)吸收和傳遞光能，常見的光合色素為葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素，它們的吸收光譜如圖1所示。

圖1 植物吸收光譜Fig.1 Plant absorption spectrum

植物對(duì)光質(zhì)的需求和響應(yīng)機(jī)理很復(fù)雜，針對(duì)不同種類植物的最優(yōu)光配方的研究是近年來(lái)光質(zhì)生理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題?？紤]到植物種類對(duì)光照環(huán)境需求的差異，光配方的構(gòu)建需要能夠調(diào)節(jié)光質(zhì)比的植物燈，以便于嘗試不同光質(zhì)構(gòu)成對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。在光配方的實(shí)際應(yīng)用中，也需要在植物生長(zhǎng)的不同階段，結(jié)合空氣和土壤等其它環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光配方，使植物始終生長(zhǎng)于最優(yōu)的光照環(huán)境。

LED作為新型光源，具有光譜集中、發(fā)光效率高、冷光源和可控性好等優(yōu)點(diǎn)[5]，近年來(lái)被認(rèn)為是最優(yōu)質(zhì)的植物燈光源。但目前市面上的植物燈，通常使用單色LED芯片搭配的方式構(gòu)成光譜，其光質(zhì)以及光周期并不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，且存在無(wú)效光照面積大、光分布不均、必須貼近植物等問題，無(wú)法使植物獲得優(yōu)質(zhì)的光照環(huán)境。

為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)一種使用紅、藍(lán)、暖白、遠(yuǎn)紅(Red, Blue, Warm White, Far Red, RBWF)四芯片集成LED作為光源，并對(duì)光分布進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)采用嵌入式可調(diào)恒流的方式驅(qū)動(dòng)LED植物燈，能夠以光配方模式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光質(zhì)比、光照強(qiáng)度和周期，使LED植物燈能夠適應(yīng)不同植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)光照環(huán)境的需要。

1 多光質(zhì)LED燈珠的光質(zhì)設(shè)計(jì)

紅光是植物生長(zhǎng)過程中所需要的最主要光質(zhì)，能夠通過光合色素吸收驅(qū)動(dòng)光合作用，還能夠通過光敏色素在調(diào)控光形態(tài)建成上發(fā)揮作用，生物需求數(shù)量居于各種單色光質(zhì)之首。藍(lán)光對(duì)植物光合作用的促進(jìn)僅次于紅光，以外還具備抑制莖伸長(zhǎng)、刺激氣孔張開等信號(hào)調(diào)控作用，不同物種對(duì)藍(lán)光的生物響應(yīng)差異很大。綠光更能深入冠層，促進(jìn)底層葉片光合作用，改善植物品質(zhì)、逆轉(zhuǎn)藍(lán)光對(duì)氣孔的刺激[6]。紫外光中部分光質(zhì)能夠影響植物的光形態(tài)建成和次生代謝，誘導(dǎo)脅迫響應(yīng)。遠(yuǎn)紅光對(duì)光合作用意義不大，但是紅光/遠(yuǎn)紅光比值對(duì)作物株高、節(jié)間長(zhǎng)、開花等形態(tài)建成具有重要作用[7，8]。

由于植物的多樣性，不同的植物最適合的光譜并不相同，如生菜、草莓、油菜、黃瓜生物量最大的紅藍(lán)光比例分別為12∶1、7∶3、1∶3、9∶1[9，10]。而且，同種植物在不同的生長(zhǎng)階段所需的光譜也不盡相同。如紅光在生菜苗期并不利于生物同化物的積累，而在生菜的成熟期可以顯著促進(jìn)葉片同化物積累[11]。

目前市面上常見的LED植物燈通常采用紅藍(lán)兩種單芯片LED，通過預(yù)先設(shè)定紅藍(lán)光配比，產(chǎn)生固定的光譜，其光質(zhì)比、光照強(qiáng)度和周期不可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，無(wú)法適應(yīng)不同植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)光照環(huán)境的需要。

大功率多光質(zhì)LED燈珠在每顆燈珠中集成了3～5種發(fā)光芯片，每種光質(zhì)的發(fā)光亮度獨(dú)立可調(diào)，相比固定燈珠搭配方式的LED植物燈而言，更適合光配方模式的應(yīng)用。然而，發(fā)光芯片本體直接限制了多光質(zhì)燈珠光譜調(diào)節(jié)的自由度，常見的大功率多光質(zhì)LED燈珠為紅、綠、藍(lán)、白(RGBW)四色，其光質(zhì)構(gòu)成不適合直接應(yīng)用于植物補(bǔ)光。因此，本文首先通過設(shè)計(jì)和選取合適波長(zhǎng)的發(fā)光芯片組合為L(zhǎng)ED燈珠，使其可能產(chǎn)生的光譜能夠適用于不同種類植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)光質(zhì)構(gòu)成進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需求。

由圖1可知，葉綠素吸收光譜的最強(qiáng)吸收區(qū)有兩個(gè)：一個(gè)在波長(zhǎng)為640～660 nm的紅光部分，另一個(gè)在波長(zhǎng)為430～450 nm的藍(lán)紫光部分。紅光和藍(lán)光是植物生長(zhǎng)最重要的兩種光質(zhì)，也是目前植物光質(zhì)生理響應(yīng)中被研究最多、配方積累最有經(jīng)驗(yàn)的兩種光質(zhì)，因此，紅藍(lán)光是必選光質(zhì)芯片。植物對(duì)綠光的需求不多，而白光中的綠光、黃光和橙光部分能夠?qū)庾V實(shí)現(xiàn)高效率的補(bǔ)充。遠(yuǎn)紅光(700～760 nm)作為特殊光質(zhì)，可以適用于藥用植物和花卉栽培場(chǎng)合的需求。

本設(shè)計(jì)的LED燈珠包含紅光、藍(lán)光、暖白光和遠(yuǎn)紅光(RBWF)四種光質(zhì)，如圖2所示。其中，紅光(Red)波長(zhǎng)655～660 nm，藍(lán)光(Blue)波長(zhǎng)為452.5～455 nm，暖白光(Warm White)色溫為2 800～3 200 K，遠(yuǎn)紅光(Far Red)波長(zhǎng)為725～730 nm。四種光質(zhì)的發(fā)光芯片集成于單顆LED燈珠中，每顆燈珠有8個(gè)引腳，每種光質(zhì)芯片芯片兩個(gè)引腳，分別連接其陽(yáng)極和陰極，四中光質(zhì)芯片的發(fā)光亮度能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)。

圖2 四芯片LED燈珠實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Four chip LED lamp bead physical figure and structure diagram

圖3給出了四種光質(zhì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)的光譜測(cè)試結(jié)果：

圖3 各光質(zhì)的光譜測(cè)試結(jié)果Fig.3 Spectrum test results of each light quality

其中紅光、藍(lán)光和遠(yuǎn)紅光的波長(zhǎng)比較集中，光質(zhì)單一，暖白光中含有少量的藍(lán)光、中量的綠光和黃橙光、大量的紅光。植物育苗和生長(zhǎng)早期需要的紅藍(lán)比值(R∶B)較低，可以僅采用紅光和藍(lán)光單元調(diào)節(jié)光質(zhì)；中后期可以通過調(diào)節(jié)暖白光的亮度，增加紅光成分，同時(shí)適當(dāng)補(bǔ)充綠光和黃橙光；植物的避蔭反應(yīng)和開花結(jié)果等形態(tài)建成對(duì)紅光和遠(yuǎn)紅光比值(R∶FR)較敏感[12]，必要時(shí)可以根據(jù)紅光和暖白光中的總紅光總量調(diào)節(jié)遠(yuǎn)紅光的亮度，以達(dá)到需要的R∶FR值。

2 多光質(zhì)LED植物燈的光分布設(shè)計(jì)

LED植物燈需要能夠使其光通量盡量集中在其照射的種植區(qū)域內(nèi)，同時(shí)保證光質(zhì)和光照強(qiáng)度的均勻性，才能夠提高電能利用率和種植物生長(zhǎng)環(huán)境的一致性。

采用紅光和藍(lán)光等單光質(zhì)燈珠搭配光譜的植物燈，由于不同光質(zhì)的燈珠間隔一定距離，通常會(huì)導(dǎo)致植物燈的光分布不均勻，出現(xiàn)光斑現(xiàn)象，如圖4所示，照射區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)部分區(qū)域只含有紅光或藍(lán)光。

圖4 紅藍(lán)單芯片LED的光斑問題Fig.4 Light spot problem of red and blue single chip LED

此類植物燈一般采用較多的小功率、大發(fā)光角度的LED燈珠組合為發(fā)光陣列，以提高植物燈在整個(gè)照射面的混光均勻度。這導(dǎo)致此類植物燈的無(wú)效照射面多、必須貼近植物，使得電能浪費(fèi)嚴(yán)重，種植物的植株高度受限，影響其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

多光質(zhì)LED燈珠中不同光質(zhì)芯片的距離很近，如圖2(a)所示，能夠有效提高混光效果。然而，經(jīng)過半球形一次透鏡的膠狀后，由于各光質(zhì)芯片與一次透鏡的相對(duì)位置不對(duì)稱，燈珠的光質(zhì)還是會(huì)出現(xiàn)光斑現(xiàn)象。本文在燈珠本體一次透鏡的基礎(chǔ)上，增加40度或90度珠面透鏡作為二次透鏡，強(qiáng)化混光效果，減少光斑現(xiàn)象。同時(shí)，較小發(fā)光角度的二次透鏡還可以使光通量更加集中在種植范圍內(nèi)，提高光通量的照利用率，減少無(wú)效光照面積，降低能耗。

本文設(shè)計(jì)的LED植物燈整體為長(zhǎng)條形，LED燈珠采取橫向?qū)ΨQ分布。圖5(a)和(b)分別為植物燈橫向和縱向的結(jié)構(gòu)圖，X和Y為植物燈橫向和縱向的照射范圍，植物燈整體照射范圍基本呈橢圓形。

圖5 植物燈結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural drawing of plant lamp

LED燈珠連接時(shí)采用六個(gè)燈珠的不同光質(zhì)分別串聯(lián)，構(gòu)成一組，各組之間并聯(lián)，每個(gè)植物燈使用三組共計(jì)18顆燈珠，相鄰間隔5 cm，單顆燈珠最大功率9.1 W。植物燈整體長(zhǎng)100 cm，寬5 cm。

圖6給出了本文設(shè)計(jì)的LED植物燈紅、藍(lán)、暖白、遠(yuǎn)紅四種光質(zhì)的光分布測(cè)試 結(jié)果。其中，分別測(cè)試各光質(zhì)的光照強(qiáng)度分布，每種光質(zhì)的驅(qū)動(dòng)電流為1.8A，植物燈與測(cè)試平面相差距離為50 cm，X軸和Y軸對(duì)應(yīng)圖5中X與Y的方向，X軸測(cè)試距離為120 cm，Y軸測(cè)試距離為40 cm，測(cè)試范圍中心對(duì)應(yīng)植物燈光照范圍中心。光照強(qiáng)度采用PPFD光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density)表示，單位為μmolm-2s-1，測(cè)試儀器為植物光照分析儀OHSP350P。

圖6 LED植物燈的光照強(qiáng)度分布Fig.6 Light intensity distribution of LED plant lamp

由圖6可知，LED植物燈的四種光質(zhì)分布基本一致，光通量主要集中于中心種植區(qū)域，光質(zhì)均勻，光通量和電能利用率高。

3 嵌入式恒流驅(qū)動(dòng)及光配方模式

植物生長(zhǎng)人工光照的光配方模式應(yīng)用，需要能夠?qū)ED植物燈的光質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)獨(dú)立調(diào)節(jié)。在其它需要調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合，一般采用恒壓驅(qū)動(dòng)和脈沖調(diào)光結(jié)合的方式，即12V或24V恒定電壓加載于串/并聯(lián)后的LED陣列的陽(yáng)極，在其陰極增加脈沖調(diào)光開關(guān)，以人眼不可見的脈沖頻率和寬度調(diào)節(jié)LED的平均電流值，此時(shí)LED實(shí)際上工作于脈沖間歇模式。然而，脈沖光源的瞬時(shí)光照強(qiáng)度、調(diào)光脈寬和頻率對(duì)于植物生長(zhǎng)的影響還處于待研究狀態(tài)。因此，常規(guī)LED調(diào)光方法不適用于LED植物燈的光配方應(yīng)用。本文以嵌入式恒流調(diào)光的方式驅(qū)動(dòng)多光質(zhì)LED植物燈，依據(jù)光配方參數(shù)直接調(diào)節(jié)每種光質(zhì)的驅(qū)動(dòng)電流，精準(zhǔn)控制LED的持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流。

圖7給出了以光配方模式構(gòu)建的LED嵌入式恒流調(diào)光驅(qū)動(dòng)原理圖。其中，四路直流-直流變換電路采用四路改進(jìn)型buck變換器，以持續(xù)恒流的方式分別驅(qū)動(dòng)紅、藍(lán)、暖白和遠(yuǎn)紅光四種光質(zhì)支路。每條支路的輸出電流通過DSP控制芯片進(jìn)行獨(dú)立控制，驅(qū)動(dòng)電流的大小由電流各光質(zhì)的電流參考值決定，可以精確調(diào)節(jié)，且穩(wěn)定無(wú)頻閃。驅(qū)動(dòng)控制模塊使用通信電路與上位機(jī)連接，從而上位機(jī)可以通過發(fā)送光配方數(shù)據(jù)來(lái)控制各光質(zhì)的電流參考值以及光周期。

圖7 LED嵌入式恒流調(diào)光驅(qū)動(dòng)Fig.7 Embedded constant current dimming driver of LED

圖8為改進(jìn)型buck變換器的電路圖。變換器1～4的電路結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)變換器輸入端并聯(lián)，即采用同一個(gè)直流電源。

其中，DC為24～48V直流電源，Q為開關(guān)管，C1和C2為輸入、輸出濾波電容，L為儲(chǔ)能電感，D為續(xù)流二極管，紅光LED為變換器1的負(fù)載，每路變換器連接對(duì)應(yīng)光質(zhì)的LED作為負(fù)載，R1為紅光LED電流采樣電阻，R2～R5的阻值決定差分放大回路對(duì)R1兩端電壓的放大系數(shù)。dsPIC33FJ32MC芯片為DSP控制芯片型號(hào)，其具備4個(gè)獨(dú)立的PWM輸出口，可以分別控制4路變換器，同時(shí)使用4個(gè)獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換引腳，來(lái)接受四路變換器反饋。

主功率回路采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)的方式控制，輸出電壓VOUT為：

VOUT=VIN·d

(1)

其中VIN為輸入電壓，d為PWM的占空比。通過控制PWM的占空比d，對(duì)主功率回路的輸出電壓進(jìn)行控制。

但由于LED的發(fā)光亮度取決于正向電流的平均值大小，且LED是非線性元件，導(dǎo)通時(shí)，正向電壓的微小變化會(huì)引起正向電流的較大變化，所以恒壓輸出的驅(qū)動(dòng)對(duì)LED產(chǎn)生的光強(qiáng)度無(wú)法精確控制。并且如果采用恒壓驅(qū)動(dòng)，隨著LED導(dǎo)通時(shí)間的增長(zhǎng)，LED的溫度會(huì)上升，伏安特性會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生溫漂現(xiàn)象，造成光照強(qiáng)度變化[13]。

圖8 改進(jìn)型buck變換器電路圖Fig.8 Circuit diagram of improved buck converter

因此，需要將LED的電流值設(shè)為反饋量，根據(jù)LED電流值的大小調(diào)節(jié)PWM的占空比d。通過將采樣電阻與LED進(jìn)行串聯(lián)，再檢測(cè)采樣電阻兩端的電壓值，可以獲得LED中的電流值。為了減少采樣電阻的功率損耗，將選取阻值較小的采樣電阻，但這樣會(huì)減小采樣電阻反饋信號(hào)的幅度，導(dǎo)致DSP接收到的反饋信號(hào)失真。所以需要添加差分放大回路來(lái)將信號(hào)放大，再輸入到DSP的AD引腳中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化。DSP再根據(jù)電流參考值，計(jì)算出電流誤差，對(duì)PWM信號(hào)的占空比d進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證LED能夠恒流無(wú)頻閃運(yùn)行。

圖9為L(zhǎng)ED植物燈調(diào)光程序流程圖，圖9(a)為驅(qū)動(dòng)根據(jù)光配方調(diào)節(jié)植物燈電流程序流程圖，圖9(b)為上位機(jī)修改光配方程序流程圖。

調(diào)光控制系統(tǒng)分為兩種控制模式：動(dòng)態(tài)模式與光配方模式。動(dòng)態(tài)模式下，各光質(zhì)LED電流值不會(huì)隨時(shí)間變化，保持一個(gè)穩(wěn)定值。而光配方模式下，則能夠根據(jù)時(shí)間變化控制各光質(zhì)LED電流值變化，達(dá)到控制光周期的效果。

LED植物燈在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)先進(jìn)行初始化，再確認(rèn)植物燈的默認(rèn)模式，如果為動(dòng)態(tài)模式，則先設(shè)定各光質(zhì)電流基準(zhǔn)為0，等待上位機(jī)發(fā)送光配方數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到光配方數(shù)據(jù)時(shí)，則根據(jù)光配方更新DSP中的電流參考值，調(diào)節(jié)LED植物燈電流。

如果為光配方模式，則會(huì)先觸發(fā)一次定時(shí)器中斷，然后讀取計(jì)時(shí)電路的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間去數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路預(yù)存的光配方數(shù)據(jù)中查找到對(duì)應(yīng)時(shí)間的各光質(zhì)電流值，再更新DSP中的電流參考值，調(diào)節(jié)LED植物燈電流。定時(shí)器中斷以一定時(shí)間間隔進(jìn)行觸發(fā)，每觸發(fā)一次，則會(huì)根據(jù)時(shí)間更新DSP的電流參考值。

上位機(jī)要修改光配方數(shù)據(jù)，則需要發(fā)送光配方數(shù)據(jù)至通信電路，DSP控制芯片接收到數(shù)據(jù)后，先判斷控制模式，如果為動(dòng)態(tài)模式，則直接修改DSP中的電流參考值。

如果為光配方模式，則會(huì)先將上位機(jī)發(fā)送的光配方數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將光配方以1 h為間隔，分解出24條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)包含對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的四路電流參考值，然后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路中，覆蓋原始光配方數(shù)據(jù)。

上位機(jī)除了能夠修改光配方數(shù)據(jù)，還具備切換控制模式，查詢當(dāng)前各光質(zhì)LED電流，同步時(shí)間等功能。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證上述4路LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案的可行性，搭建了如圖10所示的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主要參數(shù)如下：直流輸入電壓24 V，輸出濾波電容C為470 μF，儲(chǔ)能電感L為100 μH，采用485串口進(jìn)行通信。

圖10 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.10 Experimental prototype

負(fù)載使用單顆最大功率為9.1 W的RBWF四色燈珠。采用6串3并的連接方式，即6顆燈珠串聯(lián)為一組，三組互相并聯(lián)。共使用18顆燈珠。

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了植物燈不同光質(zhì)配比的光譜以及各光質(zhì)LED驅(qū)動(dòng)的輸出效率。光譜測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 植物燈光譜測(cè)試Fig.11 Spectrum test of plant lamp

圖11中坐標(biāo)橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為光照強(qiáng)度比值，將光照強(qiáng)度峰值定為1。PPFD_R、PPFD_B、PPFD_G、PPFD_FR，分別為光照中紅、藍(lán)、綠、遠(yuǎn)紅光分量的PPFD。

圖11(a)為紅藍(lán)光質(zhì)比為2∶1的光譜圖，紅藍(lán)LED電流比為2∶1，圖11(b)為采用暖白光LED為紅光LED進(jìn)行補(bǔ)光的光譜圖，使紅光LED電流減半，同時(shí)由于暖白光中包含藍(lán)光分量，為了保證PPFD_B不變，降低藍(lán)光LED至0.78 A。圖11(c)為采用暖白光LED為藍(lán)光LED進(jìn)行補(bǔ)光的光譜圖，使藍(lán)光LED電流減半，為了保證PPFD_R不變，降低紅光LED至1.33 A。圖11(d)為在紅藍(lán)光質(zhì)比為2∶1的基礎(chǔ)上添加遠(yuǎn)紅光的光譜圖，遠(yuǎn)紅光電流為1.8 A，紅光與遠(yuǎn)紅光光質(zhì)比約等于2∶1。

由圖11可以看出，植物燈驅(qū)動(dòng)對(duì)于光質(zhì)比的調(diào)控具有不錯(cuò)的準(zhǔn)確度。同時(shí)，由圖11(b)和(c)可以看出，暖白光的補(bǔ)光可以對(duì)綠光以及其他波長(zhǎng)的光照補(bǔ)充。

各光質(zhì)LED驅(qū)動(dòng)的輸出效率如圖12所示。

圖12 LED驅(qū)動(dòng)效率測(cè)試Fig.12 Efficiency test of LED driver

圖12橫軸為各色LED流經(jīng)的電流，縱軸為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)的效率。由圖中可以看出，藍(lán)光LED和暖白光LED驅(qū)動(dòng)時(shí)效率更高，電流為0.7 A左右時(shí)，效率便可以達(dá)到90%。而紅光LED和遠(yuǎn)紅光LED的效率偏低，需要1.4 A左右的電流值，效率才能達(dá)到90%。不同LED之間效率有差距是由于藍(lán)光和暖白光需求的電壓值高與紅光和遠(yuǎn)紅光，導(dǎo)致Buck電路占空比d更高，而Buck電路的效率與占空比d呈正相關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種光配方動(dòng)態(tài)可調(diào)的LED植物燈，光源采用集成了紅、藍(lán)、暖白、遠(yuǎn)紅四芯片的LED燈珠，四芯片獨(dú)立控制。并通過添加40度或90度透鏡來(lái)優(yōu)化光分布，減少光斑現(xiàn)象，集中照射區(qū)域。使用DSP控制的Buck電路對(duì)LED植物燈進(jìn)行可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)。通過DSP及外部電路，使LED植物燈的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期能夠依據(jù)植物生長(zhǎng)的需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)具有調(diào)光精確度高、電能利用率高、光譜可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。