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Cómo optimizar los diseños de iluminación led para el cultivo de interiores

Por Barry Manz

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La industria de la agricultura de interiores tiene cada vez más razones para aprovechar los numerosos beneficios de la iluminación led. Los ledes son muy pequeños y livianos, tienen una duración al menos 10 veces mayor que cualquier otra fuente de luz, consumen poca corriente, son muy eficientes, pueden producir diferentes longitudes de onda espectrales y son compatibles con los sistemas de control digital. Sin embargo, diseñar y optimizar el rendimiento de un sistema de iluminación led es una tarea compleja y requiere que se preste atención a muchas más métricas en comparación con los simples predecesores, como las lámparas de HPS (sodio de alta presión).

Este artículo describe el rol de los ledes en la agricultura de interiores, analiza los desafíos que plantean y ofrece recomendaciones de uso. También proporciona ejemplos de ledes y componentes asociados para aplicaciones agrícolas en interiores de empresas como las siguientes:OSRAM, Luminous Device, Würth Elektronik, ams, RayVio y Microchip Technology. Se finaliza abordando los desarrollos recientes en la utilización del espectro UV, así como otros requisitos para optimizar los sistemas de iluminación led.

El creciente ecosistema agrícola led

La transición del HPS y otras fuentes de luz a ledes para el cultivo de interiores fue posible gracias a la masiva escala del mercado de consumidores de iluminación que proporcionó el incentivo para avanzar con más rapidez en el desarrollo. Como resultado, la variedad, el rendimiento, la confiabilidad y el costo de los ledes mejoraron en gran medida en los últimos años. Por ejemplo, el modelo GH CS8PM1.24-4T2U-1 de OSRAM se centra en el espectro de 646 a 666 nanómetros (nm) (rojo), tiene una potencia radiante de 425 milivatios (mW) con una eficacia del 59 % y un ángulo de radiación de 80°.

El modelo SST-10-B de Luminous Devices se centra en una longitud de onda de 450 nm (azul) y ofrece una potencia radiante mínima de 510 mW con una eficacia del 57 %. El ángulo radiante se puede especificar como 90°o 130°. Los ledes hortícolas de Würth Elektronik incluyen el modelo 150353GS74500 de 525 nm (verde), que tiene un ángulo de visión de 125°. Estos y otros fabricantes ofrecen ledes en otras longitudes de onda para granjas interiores que cubren todo el espectro necesario para el cultivo (Figura 1).

Gráfico de espectros de absorción de los pigmentos que se utilizan en la fotosíntesisFigura 1: Los espectros de absorción de los pigmentos que se utilizan en la fotosíntesis se extienden en gran medida por todo el espectro visible de alrededor de 400 a 700 nm. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El cultivo de plantas en interiores abarca varias disciplinas científicas, desde botánica hasta ciencia de las plantas y suelos, manejo de cultivos y, en la actualidad, sistemas electrónicos de supervisión y control. La introducción de una nueva fuente de luz en este entorno es al mismo tiempo desafiante y gratificante, ya que se realizan nuevos descubrimientos a un ritmo rápido. Se pueden obtener resultados muy sorprendentes en condiciones óptimas que se consiguen con la iluminación led.

Un ejemplo al que se hace mucha referencia es la granja vertical de lechuga Mirai en la ciudad japonesa de Tagajo (Figura 2). Esta instalación de 25 000 pies2, que se encuentra en las salas limpias en una antigua fábrica de Sony, cosecha miles de cabezas de lechuga y otras plantas al día desde 2015. Esto se logra con 17 500 ledes, sin pesticidas, con 1/50 del agua y un 40 % menos de desperdicio de alimentos, en un entorno libre de bacterias.

Imagen de la granja vertical MiraiFigura 2: La granja vertical Mirai es la segunda más grande del mundo y una de las primeras en ponerse en funcionamiento. (Fuente de la imagen: National Geographic)

Con la versatilidad vienen los desafíos.

Aunque resulta irónico, la versatilidad de los ledes, uno de sus beneficios únicos y principales para el cultivo en interiores, también dificulta la implementación de una granja interior con led. Por ejemplo, son regulables, así que sus controladores deben incluir esta capacidad. Además, lograr longitudes de onda específicas de la planta exige conocer las especificaciones más complejas de los ledes.

Como todo dispositivo de estado sólido, los ledes requieren que se preste atención a factores que con una “bombilla” se pueden ignorar, como la protección de sobrecarga confiable y de acción rápida y la adaptación precisa del diodo al circuito de control, entre otros. Por suerte, el rápido crecimiento de la horticultura, en especial de la agricultura vertical, brindó a los fabricantes de componentes de iluminación el incentivo para desarrollar ecosistemas enteros dedicados a esta aplicación, que incluyen diseños de referencia, paneles de evaluación y publicaciones técnicas, desde básicas hasta avanzadas, que facilitan en gran medida el trabajo del diseñador.

Una idea errónea común entre algunos cultivadores es que los ledes producen menos calor que las lámparas de HPS, algo que es verdad solo si la lámpara led se acciona a una potencia menor. Es decir, un dispositivo led de 600 vatios y una fuente de luz de HPS de 600 vatios producirán casi la misma cantidad de calor. La diferencia entre los dos es la cantidad de energía luminosa que se produce y la manera en que se irradia el calor de la lámpara.

El calor de las fuentes de luz de HPS puede alcanzar los 800 °F e irradiarse hacia el cultivo, mientras que el calor de los ledes se encuentra en el diodo y los componentes electrónicos se montan en la placa CI y no hace foco en la planta. Esta es una de las razones principales por las que los ledes son superiores al HPS para la agricultura vertical, ya que pueden colocarse muy cerca de las plantas sin causar daños.

La elección lógica de acuerdo con el análisis anterior sería optar por los ledes de menor potencia y, en el caso de las aplicaciones de varias capas cercanas entre sí, este suele ser el caso. Sin embargo, la mayoría de los ledes de baja potencia tienen un ángulo de radiación fijo, mientras que los ledes de alta potencia se encuentran disponibles con aumentos de ángulo de radiación de 80 a 150 grados. Además, se necesitarán muchos más ledes de baja potencia para igualar el rendimiento de un led de alta potencia. Los ledes de alta potencia suelen ser los más adecuados para aplicaciones de cubiertas en las que la mayor salida puede proporcionar una amplia cobertura de área a distancia.

Sin embargo, el calor que genera el dispositivo led todavía se siente y debe eliminarse con rapidez de la placa a través de un sistema de gestión térmica porque, de lo contrario, la vida útil de los ledes disminuirá en gran medida y no es raro que se produzca una falla completa. Los métodos de enfriamiento primarios son lámparas pasivas con disipadores térmicos y lámparas con frío activo que utilizan ventiladores o agua. Estos últimos tipos consumen energía y como dispositivos mecánicos pueden fallar, lo que genera un sobrecalentamiento de los ledes.

Optimización de la vida útil

Los ledes suelen tener una vida útil especificada por el fabricante de al menos 20 000 horas y, a menudo, de hasta 50 000 horas, y el final de la vida útil se define como una reducción del 70 % en el brillo de su valor original. El objetivo del diseñador del sistema de iluminación led es garantizar que los ledes alcancen su vida útil nominal y, al mismo tiempo, retener el mayor rendimiento a lo largo del tiempo estabilizando el voltaje y la corriente de entrada. De esto se encarga la fuente de alimentación, en particular el controlador led, que adquiere datos de manera continua de los sensores de temperatura y realiza ajustes para mantener un rendimiento óptimo. Para complementar estas capacidades, es conveniente medir el brillo de las fuentes de luz en tiempo real y transmitir la información de nuevo al controlador. Para lograrlo, los sensores espectrales son los medios más rentables y menos complejos.

Por ejemplo, ams proporciona un grupo de sensores espectrales que mide el perfil espectral real de los ledes en tiempo real y controla de manera directa un controlador led para ajustar la salida hasta que coincida con los valores objetivos especificados para la cromaticidad y la intensidad. El modelo AS7263-BLGT cuenta con seis filtros ópticos separados, cuya respuesta espectral se adapta a un rango de 600 a 870 nm (Figura 3), mientras que el AS7262-BLGT cubre de 450 a 650 nm. Juntos brindan la capacidad de supervisar con precisión los ledes separados en un dispositivo o de manera directa a nivel de planta. La comunicación se proporciona con mensajes de texto mediante el UART (transmisor receptor asíncrono universal) o a través de I²C. La colectividad de estos sensores, junto con otras capacidades, permiten optimizar la vida útil de los ledes, así como el análisis de tendencias y otros análisis.

Diagrama del sensor de luz ams AS7263-BLGTFigura 3: El sensor de luz AS7263-BLGT es sensible a longitudes de onda entre 450 y 650 nm. Forma parte del grupo de sensores espectrales que mide el perfil espectral de los ledes en tiempo real y supervisa de manera directa un controlador led para ajustar la salida hasta que coincida con los valores objetivos especificados para la cromaticidad y la intensidad. (Fuente de la imagen: ams)

Protección de circuitos

La mayoría de las aplicaciones necesitan que a las cadenas led se les suministre una fuente de alimentación de corriente constante, y el diseño de esto en cadenas largas puede ser un desafío. La protección del circuito se basa en varios componentes en el sistema de control porque se debe proteger todo el circuito de control, desde el led hasta los componentes pasivos y activos, de los transitorios. El dispositivo primario de protección contra sobrevoltaje es un MOV (varistor de óxido de metal) que se encuentra en la entrada de CA y proporciona un alto nivel de supresión de voltaje transitorio, así como la reducción del estrés que se debe a los efectos de ondas anulares. Absorberá posible energía destructiva y la disipará en forma de calor, lo que ayudará a proteger los componentes. Un circuito controlador de cadena de led también suele incluir una resistencia de coeficiente de temperatura positiva (PTC) que protege los ledes contra sobrecorriente y sobretemperatura, y un diodo de supresión de voltaje transitorio (TVS) paralelo que brinda protección contra el sobrevoltaje. El circuito rectificador de línea debe incluir un fusible de CC de alto voltaje en la salida para garantizar una protección secundaria. También se recomienda agregar un fusible reajustable en serie con el led para evitar la fuga térmica.

Otra consideración es que la agricultura en interiores suele necesitar temperaturas ambiente relativamente altas y una humedad elevada para fomentar el crecimiento de las plantas, por lo que el sistema de iluminación tiene funcionar en este entorno. Además, a diferencia de las lámparas que se utilizan en otras aplicaciones que permanecen en un lugar durante toda su vida útil, en las granjas verticales están diseñados para elevarse, bajarse o reposicionarse a fin de optimizar el crecimiento de las plantas. Esto tiene consecuencias en sus requisitos de cableado que se detallan en UL 8000.

Consideraciones del controlador

Existen dos tipos principales de controladores: los que utilizan energía de entrada de CC de bajo voltaje y los que utilizan energía de CA de alto voltaje. Por ejemplo, el diseño de Microchip Technology CL88030-E / MF controla una larga cadena de ledes de baja corriente de manera directa desde 120, 230o 277 V deCA. Una clásica aplicación incluye el CI del controlador, cuatro FET (transistores de efecto de campo) de potencia, cuatro resistencias, dos condensadores y un rectificador de puente. Se proporciona protección contra sobretemperatura para reducir poco a poco la salida de luz con aumentos de temperatura, junto con la regulación de línea. Se puede implementar protección adicional contra sobretemperatura con un termistor NTC (Figura 4).

Diagrama del modelo CL88030-E/MF de controlador lineal secuencial de Microchip TechnologyFigura 4: Un circuito de aplicación para el modelo CL88030-E/MF de controlador lineal secuencial de Microchip Technology muestra el dispositivo junto con un circuito de protección que utiliza un MOV. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

La cantidad de ledes que se pueden colocar en serie depende del controlador, el voltaje de entrada, los códigos eléctricos y los estándares de seguridad. La colocación de los ledes en una sola cadena de serie se beneficia de la necesidad de utilizar un solo controlador junto con el mismo flujo de corriente a través de cada led. Sin embargo, da como resultado un alto voltaje de salida y, por lo tanto, componentes de circuito más grandes. Además, es posible que surja la necesidad de abordar más estándares de seguridad.

Una matriz de serie en paralelo tiene un voltaje de entrada más bajo y reduce la posibilidad de que se produzca una descarga eléctrica. Si falla una rama led, las otras ramas continuarán funcionando, y la falla de un led no deshabilitará toda la matriz. Dicho esto, el controlador es una fuente de corriente constante y forzará la entrada de más corriente en los dispositivos en funcionamiento, lo que puede dar como resultado un posible sobrecalentamiento. La matriz de serie en paralelo tampoco permite que los ledes compartan la corriente del controlador por igual, a menos que sus voltajes directos sean muy similares.

Una respuesta a algunos de estos problemas es utilizar controladores para cada cadena de led, que ofrece mayor confiabilidad, pero agrega costos y aumenta el tamaño. Este enfoque obtener una cierta potencia luminosa incluso si falla más de una cadena de led.

El tema de la iluminación UV

Aún hay considerables debates en el mundo académico y en la industria sobre el potencial de usar los ledes en la porción no visible ultravioleta “B” (UV-B) del espectro entre 280 y 385 nm para el cultivo de plantas. La luz UV suele considerarse de menor interés para la agricultura en interiores porque está fuera de las longitudes de onda activas a nivel fotosintético. En consecuencia, hasta hace unos 15 años, se indagó muy poco sobre el tema.

Otro factor que limita el interés en esta región espectral es la seguridad: Los fotones UV-B son conocidos por causar daño celular en humanos y plantas. De hecho, los fabricantes de iluminación toman amplias medidas para reducir en gran medida la luz UV emitida por sus dispositivos. Como tal, el empleo de los rayos UV en la agricultura en interiores exigiría amplias medidas de protección para todas las personas que trabajan dentro del recinto.

Lo que despertó el interés de la agricultura vertical y de la agricultura en general es la reacción de las plantas a la luz UV-B, que hace que la planta active sus mecanismos de defensa para protegerse de estas longitudes de onda. Los estudios muestran que algunas plantas pueden producir 15 proteínas diferentes de defensa cuando se exponen a los rayos UV-B. Algunas de estas proteínas afectan el olor, el color, el sabor y la resistencia de una planta a enfermedades que no las producen otras longitudes de onda.

Este tema controvertido se iluminó cuando se descubrió el fotorreceptor específico de UV-B (UVR8) a principios de la década del 2000 y se caracterizó en 2011. No se comprenden con claridad los mecanismos por los que UVR8 regula la expresión génica, la manera en que funciona la vía UVR8 ni la forma en que interactúa con otras vías en manos de otros fotorreceptores.

Sin embargo, en publicaciones se observan posibles beneficios de la luz UV-B, que van desde la reducción del crecimiento de la extensión, el aumento del grosor y la cera de las hojas, una mayor coloración de las hojas en la lechuga roja y algunas otras plantas, una alta resistencia a patógenos e insectos, la duplicación de la vida útil, el aumento de la producción de antioxidantes beneficiosos y flavonoides y la mejora del valor nutricional de frutas y verduras.

Queda mucho por investigar para determinar si es real la gran cantidad de los supuestos beneficios y si el uso de la iluminación UV-B para el cultivo en interiores merece una inversión considerable de tiempo, equipo y capacitación para garantizar que se mantenga la seguridad. Mientras tanto, se encuentran disponibles los ledes UV para otras aplicaciones, como el modelo UV led RayVio RVXR-280-SB-073105 con una longitud de onda espectral de 280 nm.

Conclusión

La flexibilidad que brindan los ledes viene con desafíos mucho más complejos en comparación con las instalaciones que usan fuentes de luz simples como el HPS. Sin embargo, es demasiado atractiva la capacidad de cultivar más plantas en menos espacio sin necesidad de utilizar productos químicos y con mucho menos tierra (o nada), al tiempo que se aumenta el valor nutricional de las verduras y mejora la floración de las plantas. Como resultado, la industria de la iluminación y de los componentes semiconductores simplifica la aplicación de la iluminación led con soluciones con buen respaldo, a la vez que mejora la tecnología.

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Información sobre el autor

Barry Manz

Fundador de Manz Communications, Barry Mans ha escrito sobre electrónica durante más de 27 años. Escribe artículos y todos los tipos de artículos editoriales para generar visibilidad para empresas con un mensaje altamente técnico para comunicar. Los servicios incluyen artículos técnicos, de opinión relacionados con productos, sobre aplicación, hojas de datos, folletos y otros documentos similares así como catálogos.

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