CN101387379B - 高效大功率led光源的植物生长灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效大功率LED光源的植物生长灯，包括支架、恒流电源、控制电路及LED光源，LED光源采用1～10只1～5W的红、蓝光LED发光二极管、由红、蓝单芯片或复合芯片封装形成，LED光源通过高导热胶贴装在铝基印刷电路板上，LED光源中心装有出光透镜，铝基印刷电路板与平板散热器固定连接，平板散热器的两侧为高效率反光罩。本发明植物生长灯耗电量低、光源寿命长、光效率较高，不仅能有效调控植物生长所需光照，而且还能定量调控光波长、占空比和频率，应用前景看好。

Description

高效大功率LED光源的植物生长灯

技术领域

本发明涉及一种植物生长灯，尤其涉及采用1W以上高亮度的发光二极管(LED)作为照明光源的植物生长灯，属于半导体照明及植物栽培用具的技术领域。

背景技术

植物的生长需要太阳，但现代科学可以让植物在没有太阳的地方更好地生长，人们掌握了植物对太阳需要的内在原理，就是叶片的光合作用，在叶片光合作用时需要外界光子的激发才可完成整个光合过程，太阳光线就是光子激发的一过供能过程。人为的创造光源也同样可以让植物完成光合过程，现代园艺或者植物工厂内都结合了补光技术或者完全的人工光技术。

目前，用于植物栽培的人工光源有以下几种，最普通的就是萤光灯光源，其次就是钠灯，最新的又有可供专一光谱的植物生长灯，是萤光灯的一种，它提取了红光与蓝光光源，是单色光源的结合，具有省电高效的作用。另外，从发光时的热效应来分又可以分为冷光源与热光源，如果需加温的温室或环境需要可以用热光源如钠灯，但对于植物工厂或设施栽培相对来说都是以冷光源为好，因为环境的加温可以采用效率更高的加热设备来完成。而冷光源具有光效率高节能省电之效果，如萤光光源的植物生长灯，主要依靠荧光灯和滤光片获得所需波长和光密度，无法准确定量控制，也无法按需任意设定定量参数组合，制约着光生物学研究的深入。

当然随着人工光技术的发展，效率更高的如二极管发光技术LED已出现，这些发光光源可以因植物生长的需要进行单色光的补光或者进行不同光谱的结合，而且其耗电量是普通光源的几分之一，将是现代补光技术的一项重大变革。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用1W以上高亮度的发光二极管(LED)作为照明光源的植物生长灯，不仅能有效调控植物生长所需光照，而且还能定量调控光波长(包括各种波长组合)、占空比和频率。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

高效大功率LED光源的植物生长灯，包括支架、恒流电源、控制电路及LED光源，其特征在于：所述LED光源采用1～10只1～5W的红、蓝光LED发光二极管、由红、蓝单芯片或复合芯片封装形成，LED光源通过高导热胶贴装在铝基印刷电路板上，LED光源中心装有出光透镜，铝基印刷电路板与平板散热器固定连接，平板散热器的两侧为高效率反光罩。

进一步地，上述的高效大功率LED光源的植物生长灯，所述铝基印刷电路板与平板散热器之间涂有硅酮导热胶，采用铜螺钉固定连接。

更进一步地，上述的高效大功率LED光源的植物生长灯，所述平板散热器的上部呈U形槽，槽内有若干个散热翅。

更进一步地，上述的高效大功率LED光源的植物生长灯，所述反光罩的外轮廓为倒矩形截锥，底面为平面，出口为矩形。

再进一步地，上述的高效大功率LED光源的植物生长灯，所述控制电路包括微处理器、存储器、定时模块、脉冲宽度控制模块、驱动模块和通信模块，微处理器的运行程序由总线传送到驱动模块，控制程序存储在存储器中，定时模块提供时间和设定定时参数，脉冲宽度控制模块分别控制发光二极管电流的通断时间，通信模块与计算机连接。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

(1)耗电量低，较同等亮度的白炽灯耗电减少约80％，光源寿命长达50000小时；高光效率，光效大于80Lm/W，距植物叶面为1.0米时，照度大于1000Lx；

(2)采用超薄散热结构设计、耐腐蚀密封工艺及材料，热阻小，导热快，无热量积累效应；高效导热胶封装，高强度、高韧性、安全防水，在育苗喷雾环境中工作持久；光源颜色应用范围广，如白、暖白、黄、绿、红、蓝，LED光源模块红、蓝光谱成分配比方便，较佳符合植物生长光合作用，促进植物生长；

(3)补充自然光的强度，达到加速植物的生长，增加产量，提高植物的质量；延长自然光照射的时间，加速植物的生长，可以使植物特别是提前或推迟开花的时间，提高花朵的质量和数量；

(4)完全替代自然光，用于生长室和栽培室，栽培室可以完全控制环境，生长室可以使植物完全在光源下生长，可以使植物特别是那些只需要低照射量和高温度的植物快速成长，使它们在具有高价值的季节长成或者是在冬季和一些特别的日期长成；增强植物抵抗力和免疫力，可以抑制棚内病菌和虫卵的生长及繁殖，减少农药的用量，减轻了对环境和植物的污染，具有很高的社会效益和经济效益。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明植物生长灯的结构示意图；

图2：本发明恒流电源的原理示意图；

图3：本发明控制电路的原理图。

图中各附图标记的含义见下表：

具体实施方式

如图1所示，本一种高效大功率LED光源的植物生长灯主要由支架1、恒流电源2、控制电路3、平板散热器4、大功率LED光源5、出光透6、铜螺钉7、铝基印刷电路板8、高效率反光罩10组成，大功率LED光源5的主体采用封装工艺，将红、蓝单芯片或复合芯片封装的光源利用高导热胶均匀贴装在铝基印刷电路板8上，以LED光源5为中心在铝基印刷电路板8上加装出光透镜6，铝基印刷电路板8与平板散热器4之间涂有硅酮导热胶9，采用铜螺钉7固定连接，便于更换光源类型，平板散热器4上部呈U形槽，槽内有个多个散热翅，增大散热面积，使LED产生的热量能够顺利散逸；此外，在平板散热器两侧设高效率反光罩10，高效率反光罩10不仅遮光，还具有散热功能，反光罩采用反射、折射工艺材料，其外轮廓为倒矩形截锥，底面是平面，出口为矩形，反光罩10采用铝质或其它合金薄板材料冲压而成，内表面作电镀处理，可以达到反射混光效果，光效大于80Lm/W，距植物叶面为1.0米时，照度大于1000Lx。灯的使用寿命大为延长，其制造和使用成本得到有效降低。本灯具在电路板上实现芯片的直接封装，缩小了体积，显著降低了成本，可按照客户的具体要求定做，产品可靠性高；控制电路3能够任意调控颜色、光照度、光波长(包括各种波长组合)、占空比和频率。恒流电源2采用恒流驱动技术，使得每颗LED的电流均为恒定值，从而保证LED稳定工作。LED的工作电压一般为直流低压，彻底杜绝触电事故的发生。

大功率LED光源5底部金属层涂少量硅酮导热胶，压紧粘接在铝基印刷电路板8上，灌封稳定性好的导热环氧灌封胶，灌封胶在真空釜中进行加热，稳定固化质量，以驱除胶料中的气泡，使固化胶性能更好，避免环境温度波动的影响，固化工艺温度为80±5℃/2小时。以大功率LED光源5为中心加装大角度出光透镜6；在大功率LED光源5四周灌封导热环氧灌封胶，胶封的高度与出光透镜6的底面高度差约1～2mm，采用高效导热胶封装，强度佳、韧性高、安全防水，在育苗喷雾环境中工作持久。

大功率LED光源采用紫外芯片或者蓝光芯片、光源荧光粉，根据植物的光合作用、光周期调节对光波的选择性吸收而采用光源荧光粉，其发射光谱与植物选择吸收的光谱相匹配，主要发出红蓝色两种波长的光，极大地提高了光能利用率。光源荧光粉采用稀土激活的硅酸盐系列发光材料，用于制造红光和蓝光LED光源，化学性质稳定、耐老化性能优异、光转化效率高，结晶体透光性好。具有宽谱激发带，适用于使用紫外芯片或者蓝光芯片、甚至是蓝绿色芯片作为激发光源制作LED光源，适应芯片的波段范围宽，特别适合红光和蓝光LED规模化生产，可根据芯片特点对发光粉进行调配，生产出不同色温、不同显色指数、不同波长的LED光源。

LED光源选用1～10只功率在1W以上的红、蓝光LED发光二极管作为光源，LED植物生长灯可以直接应用交流市电供电，图2是本发明恒流电源2的原理示意图，220V、50Hz的交流市电经过整流变换成低压直流电源，再低压恒流转换，进而馈送到发光二极管组件D。供电电路构成是：交流市电通过典型L1和C1构成的抗干扰电路，通过全波桥式D1～D4整流成直流高压，经AC/DC变换模块U1转换成低压直流电源，再送入集成电路U2为核心的恒流源电路形成低压恒流，进而馈送到控制电路3。驱动电源中的电子元器件，全部选用温度范围在-40℃～+105℃以上的高品质器件，保证了使用寿命。

对于恒流电源2的使用数量根据植物需要光效配置发光二极管的总数量进行配备，通常每一个恒流电源可以供10只发光二极管。供1W发光二极管的工作电流约350mA；供3W发光二极管的工作电流约700mA；而供5W发光二极管的工作电流约1000mA。在低压恒流电路的供电下，每只LED成为一处点光源，在高效率反光罩的作用下形成光线柔和的一体化的面光源。由于使用高效率反光罩结构设计，灯罩不仅遮光，还具有散热功能，因此，该灯的使用寿命大为延长，其制造和使用成本得到有效降低。

此外，该灯可更换不同颜色的LED芯片，配置不同波长的LED，可以依据不同植物生长光谱要求随意调整变换及任意组合与排列，得到植物光合作用所需的光源，而且能够任意定量调控光照度、占空比和频率，必要时，灯具的发光强度和色调可以通过电子电路控制与调配。图3是本发明灯具控制电路的电路原理图，控制电路包括微处理器(MCU)11、存储器12、定时模块13、脉冲宽度控制模块14和驱动模块15、通信模块16，程序存储在存储器12中，定时模块13为系统提供时间和设定定时参数，微处理器11的运行程序由总线传送到驱动模块15，光照度控制通过脉冲宽度控制模块14分别控制发光二极管电流的通断时间，当电流导通时，发光二极管发光；在一个脉冲周期，脉冲宽度决定了发光二极管电流导通的时间，导通的时间比例越大，脉冲周期内通过发光二极管平均电流越大，发光二极管发光强度越强。对发光二极管分别控制就可以配置任意色调，控制电路3的控制器核心处理器是一款低功耗的16位的单片机，结合了能传输大电流的脉冲宽度调制控制和静态电流的特点，并融合了极好的高效低负载PWM控制功能，通信模块16可以与PC机连接，接收更新或固化的控制程序及代码；具备的驱动电路，定量调控光照度、占空比和变频调制电路等集合到一起，真正满足了用户最少外部器件的需求，同时降低了灯具本身的生产成本，简化了生产工艺，是光生物学研究的有效工具和理想补光设备。

本发明植物生长灯不仅比普通荧光灯利用率高，而且对植物在分化绿苗、中茎增大、单位面积叶绿素含量等方面均有明显作用。光效高、耗能低，增强了植物的光合作用，解决了大棚作物光光照时间短的问题，能使棚内温度提高，产量增产，增强了抵抗力和免疫力，还可以抑制棚内病菌和虫卵的生长及繁殖，减少农药的用量，减轻了对环境和作物的污染。在一天的任何时间都可以增强光照，特别是在冬天，可以延长有效照明时间。无论在黄昏或是夜晚，可以有效延长和科学控制植物所需要的光照，可完全替代自然光，有效促进植物生长，具有很高的社会效益和经济效益，符合当前的“绿色”潮流。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.高效大功率LED光源的植物生长灯，包括支架[1]、恒流电源[2]、控制电路[3]及LED光源[5]，其特征在于：所述LED光源[5]采用1～10只1～5W的红、蓝光LED发光二极管、由红、蓝单芯片或复合芯片封装形成，LED光源[5]通过高导热胶贴装在铝基印刷电路板[8]上，LED光源[5]中心装有出光透镜[6]，铝基印刷电路板[8]与平板散热器[4]固定连接，平板散热器[4]的两侧为高效率反光罩[10]。

2.根据权利要求1所述的高效大功率LED光源的植物生长灯，其特征在于：所述铝基印刷电路板[8]与平板散热器[4]之间涂有硅酮导热胶[9]，采用铜螺钉[7]固定连接。

3.根据权利要求1所述的高效大功率LED光源的植物生长灯，其特征在于：所述平板散热器[4]的上部呈U形槽，槽内有若干个散热翅。

4.根据权利要求1所述的高效大功率LED光源的植物生长灯，其特征在于：所述控制电路[3]包括微处理器[11]、存储器[12]、定时模块[13]、脉冲宽度控制模块[14]、驱动模块[15]和通信模块[16]，微处理器[11]的运行程序由总线传送到驱动模块[15]，控制程序存储在存储器[12]中，定时模块[13]提供时间和设定定时参数，脉冲宽度控制模块[14]分别控制发光二极管电流的通断时间，通信模块[16]与计算机连接。

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