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Allgemeine technische Informationen zur LED-Pflanzenbeleuchtung

Aus physikalischer Sicht lässt sich ein LED-Pflanzenbeleuchtungssystem in zwei wesentliche Bereiche unterteilen:

  1. Die Umwandlung elektrischer Energie in für die Pflanze verwertbare Energie – also Licht mit einer speziellen Farbzusammensetzung.
    Hier liegt das Ziel darin, möglichst viel pflanzentaugliches Licht aus einer möglichst geringen Menge an elektrischer Energie zu generieren.
  2. Das generierte Licht der Pflanze so zur Verfügung zu stellen, dass sie möglichst viel davon absorbieren und verwerten kann.

Im Folgenden wird auf diese zwei Bereiche eingegangen. Es werden jene Faktoren erläutert, die die Effizienz maßgeblich beeinflussen. Ebenso wird wichtige technische Hintergrundinformation beschrieben, die zum Verständnis und der Beurteilung der Qualität eines LED-Pflanzenbeleuchtungssystems notwendig ist.

Quelle:SANlight

Umwandlung elektrischer Energie in Licht

An der Lichtgenerierung sind die elektrische Beschaltung der LED und die LED selbst beteiligt.

Um eine Leuchtdiode betreiben zu können, ist es erforderlich die elektrische Energie, in einer gewissen Form zur Verfügung zu stellen.

Die Verwendung einer gut konzipierten, hochwertigen (hoher elektrischer Wirkungsgrad) Konstantstromquelle ermöglicht das stabile Betreiben der LED im gewählten Arbeitspunkt. Oft wird hier eingespart und eine bedeutend billigere Spannungsquelle verwendet. Dies verlangt den zusätzlichen Einsatz verlustbehafteter elektrischer Bauteile, verursacht Schwankungen in der Lichtausbeute und senkt den Gesamtwirkungsgrad erheblich.

Zahlreiche Hersteller sorgen für eine große Vielfalt an Leuchtdioden. Die Qualitätsunterschiede sind jedoch beachtlich. Da die richtige Auswahl der verwendeten LEDs die Leistungsfähigkeit eines Systems bedeutend mitbestimmt, sollen an dieser Stelle einige wichtige Aspekte erläutert werden:
Die Effizienz gibt Aufschluss darüber, wie viel elektrische Energie in der LED selbst in Licht mit einer bestimmten Farbe umgewandelt wird. Dieser Faktor wird wesentlich vom Aufbau des Halbleiters bestimmt. Das ist jener Bauteil in der LED, der unmittelbar für die Lichterzeugung zuständig ist. Seine Herstellung ist komplex und unterliegt prozessbedingten Qualitätsschwankungen. Dies hat zur Folge, dass die Effizienz innerhalb eines Produktionsloses sehr stark variieren kann (bis zu mehreren 100%!). Im Klartext heißt das, dass bei gleicher elektrischer Leistungsaufnahme eine LED z.B. 100mW und eine Andere aus demselben Los z.B. 300mW an Lichtleistung emittieren kann. Bei jener mit nur 100mW wird im Vergleich zur 300mW LED viel mehr elektrische Energie in Wärme umgewandelt anstatt in Licht. Konkrete Ursachen dafür können optisch bzw. geometrisch bedingte schlechte Photonenextraktionsraten, Störstellen im Halbleiterkristall oder inhomogene Stromdichten – ebenfalls im Halbleiterkristall – sein.

Um definierte Qualität liefern zu können, führen deshalb die Hersteller hochwertiger Leuchtdioden Messungen an jeder produzierten LED durch. Aufgrund der Messwerte können dann die LEDs in Qualitätsgruppen – sogenannte Binnings – unterteilt werden. Der Kunde hat so prinzipiell die Möglichkeit, seine Beleuchtung kostenoptimiert (günstigere Binnings mit schlechteren Kennwerten) oder effizienzoptimiert (Verwendung von Binnings mit höchstem Wirkungsgrad) zu gestalten. Ein detaillierter Blick in das Datenblatt des Herstellers ist unabdingbar aber auch mit Vorsicht zu genießen.

An dieser Stelle soll noch ergänzt werden, dass manche Hersteller auf den Kostenintensiven Binning-prozess verzichten. Eine qualitative Aussage über die Effizienz solcher LEDs ist folglich nicht möglich.

Die Betriebstemperatur des Halbleiters beeinflusst ebenfalls die Leistungsfähigkeit einer LED. Sie ist meist umständlich zu ermitteln, da sich der Halbleiter im Kern der „LED-Verpackung“ befindet. Mit zunehmender Temperatur tritt immer weniger Licht aus und die mittlere emittierte Wellenlänge (Farbe) ändert sich in Richtung längerer Wellenlängen. Eine LED arbeitet am effizientesten, wenn sie bzw. der Halbleiter relativ kühl ist. Dies erreicht man in erster Linie dadurch, dass sie nicht mit ihrem maximalen Strom betrieben wird. Ein weiterer wichtiger Aspekt um den Halbleiter vor hohen Temperaturen zu schützen ist die Fähigkeit der LED-Verpackung, die Wärme rasch abführen zu können. Dies stellt große technologische Herausforderungen an die Hersteller und ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Ist der Wärmeleitwert zwischen Halbleiter und Lötstelle gering, so kommt es zu einem Hitzestau. Selbst ein gut ausgelegtes weiteres thermisches Management (optimale Lötverbindung, die Verwendung hochwertiger Alu-Kern-Platinen und die fachgerechte Ankopplung an einen Kühlkörper) kann in einem solchen Fall nicht für eine ausreichende Wärmeabfuhr vom Halbleiter sorgen. Hohe Temperaturen beschleunigen die Alterung einer LED dramatisch. Dies zeigt sich meist aber nicht in einem Totalausfall sondern in einem starken Rückgang der abgegebenen Lichtleistung schon nach relativ kurzer Betriebsdauer. Da dieser beschleunigte Alterungsprozess aber kontinuierlich abläuft ist er (sofern die Betriebstemperatur nicht enorm hoch ist) mit freiem Auge ohne Referenz nicht zu erkennen und bleibt dem Nutzer daher oft verborgen.

LEDs werden gelegentlich in sogenannte „Leistungsklassen“ unterteilt. Diese sind aber mit Vorbehalt zu interpretieren, da eine LED mit unterschiedlich hohen Strömen (unterschiedliche Arbeitspunkte) betrieben werden kann. Die tatsächliche elektrische Leistung ergibt sich aber aus dem Spannungsabfall an der Diode multipliziert mit dem Strom, mit dem die LED im Betrieb beaufschlagt wird.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass ohne genauer Kenntnis der technischen Daten einer Leuchtdiode, weder eine elektrische Leistungsangabe, noch die Anzahl der verwendeten LEDs Aufschluss darüber gibt, wie viel Licht schlussendlich vom System emittiert wird und wie hoch die Lebensdauer theoretisch ist.

Als Hersteller hochwertiger Beleuchtungslösungen ist es uns wichtig, die Vorteile der LED voll ausschöpfen zu können. Wir verwenden deshalb ausschließlich Qualitäts-LEDs namhafter Hersteller mit hervorragendem Binning und technisch ausgereiftem Design. Das ermöglicht unter anderem eine passiv gekühlte Beleuchtung mit maximalem Licht-output. Grundsätzlich betreiben wir die in unseren Produkten verbauten LEDs im unteren Leistungsbereich (höhere Effizienz, geringere Temperatur, höhere Lebensdauer) und implementieren mehrere LEDs um auch höhere Lichtleistungen realisieren zu können.

Quelle:SANlight

Versorgung der Pflanzen mit Licht

Der zweite wesentliche Faktor eines Pflanzenbeleuchtungssystems ist die Beleuchtungsmethode. Das generierte Licht soll der Pflanze so zugeführt werden, dass sie es optimal aufnehmen und verwerten kann. Es ist besonders darauf zu achten, dass Schattengebiete reduziert werden und die Lichtenergie homogen und flexibel verteilt werden kann. Die von der Pflanze gebotene Absorptionsfläche (praktisch alle Pflanzenteile aber vor allem die Blätter) soll genutzt und beleuchtet werden (siehe Abbildung 2).

Leistungsstarke Lichtquellen, die auf eine relativ kleine Fläche gerichtet sind können in der Pflanze Sättigungserscheinungen hervorrufen. Das Licht kann von der Pflanze nicht verwertet werden. Unter Umständen kann dies das Wachstum sogar negativ beeinflussen. Je nach Konstruktion einer solchen „Einzelquelle“ (Abbildung 1) muss der Abstand zur Pflanze erhöht werden, um eine gewisse Fläche ausleuchten zu können. Die zur Verfügung stehende Lichtintensität sinkt dann drastisch und Schattengebiete werden generiert. Meist ist die auszuleuchtende Fläche auf eine Kreisgeometrie eingeschränkt. Jede andere Anordnung verursacht zusätzliche Verluste, da Teile des Lichts nicht dort ankommen, wo sie benötigt werden. Ein weiterer großer Nachteil einer einzelnen Punktquelle ist die inhomogene Verteilung des Lichts. Pflanzen direkt unter der Quelle werden unter Umständen überbelichtet, während in den Randbereichen nicht genügend Licht für kräftigen Wuchs und entsprechende Erträge geboten wird. Starke Qualitätsschwankungen im Ertrag sind die Folge. Generell ist es schwierig mit solchen Quellen eine homogene Ausleuchtung für eine beliebige Flächengeometrie zu realisieren.

 Abbildung 1: einzelne, relativ leistungsstarke Lichtquelle zum Beleuchten einer gegebenen Fläche

Zielführender ist eine räumliche Aufteilung von leistungsmäßig angepassten Modulen (siehe Abbildung). So lässt sich das Licht ideal verteilen, Schattenstellen werden minimiert und der Lichteinfall aus mehreren Richtungen erlaubt der Pflanze eine maximale Lichtaufnahme unter effektiverer Nutzung ihrer Blätter.

Abbildung 2: modulares, flexibles System (basierend z.B. auf der M30-Leuchte) mit angepasster Leistung der einzelnen Module

Der Einsatz mehrerer kleiner LED-Lichtquellen erlaubt trotz großer Beleuchtungsflächen sehr kurze Distanzen zwischen Leuchte und Pflanze. Da die LEDs kaum ferne Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) generieren, ist das abgegebene Licht sozusagen kalt und die beleuchteten Pflanzen werden keinem zusätzlichen Wärmestress ausgesetzt. Das generierte Licht wird auf direktem Weg zur Pflanze gebracht. Die Lichtkegel der einzelnen Module überlagern sich. Durch diese Überlagerung kann auch im unteren Teil der Pflanzen eine hohe Lichtintensität gewährleistet werden. Auch im Randbereich der Kulturfläche ist ausreichend intensives Licht vorhanden. Die Ausleuchtung der Kulturfläche ist homogen. Die Pflanzen weisen gleichmäßiges Wachstumsverhalten auf und liefern gleichbleibende Qualität.

Quelle:SANlight

Das richtige Licht für Ihre Pflanzen

In den Blättern von grünen hochwachsenden Pflanzen befinden sich die Chloroplasten welche spezielle lichtabsorbierende grüne Pigmente enthalten. Diese sind als Chlorophyll A und Chlorophyll B bekannt. Aber auch andere Pigmente wie Carotenoide, Anthocyane und Xanthophyll sind entscheidend an einem gesunden Pflanzenwachstum beteiligt. Carotenoide z.B. schützen die Pflanze vor Photodestruktion. Xanthophyll hingegen trägt zur internen Temperaturregelung und Lichtregulierung bei.

Die Tatsache, dass mehrere Pigmente, und mindestens 2 unterschiedliche Photosysteme am Pflanzenwachstum beteiligt sind, verdeutlicht die Notwendigkeit eines möglichst breiten kontinuierlichen Lichtspektrum, wie es von unseren Produkten zur Verfügung gestellt wird.

Doch nicht nur die richtige spektrale Verteilung des Lichts ist entscheidend. Auch die für die jeweilige Wachstumsphase notwendige Lichtintensität muss zur Verfügung gestellt werden. So benötigen Pflanzen während einer Überwinterungsphase deutlich weniger Licht als z.B. während der Blütenproduktion.

Für die Überwinterung von Pflanzen ist meist ein M30 Modul pro Quadratmeter ausreichend. Lichthungrige Pflanzen in der Vegetations- oder Blühphase gedeihen unter 9Stk. M30 pro Quadratmeter optimal. Tabelle 1 soll bei der Wahl der richtigen Anzahl behilflich sein. Sie können uns aber auch gerne diesbezüglich kontaktieren.

Kulturfläche Wachstum und Haltung von MutterpflanzenBlüte bei NutzpflanzenBlüte bei ZierpflanzenÜberwinterung
50cmx50cm  1-3 3-4 2-3 1-2
80cmx80cm  1-5 4-9 3-6 1-3
100cmx100cm  1-6 6-12 6-9 1-5

Quelle:SANlight

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