Was sind LED-Wachstumslampen für den Gartenbau? Aktualisiert 2022

Die elektromagnetische Strahlung von LED-Wachstumslampen im Gartenbau zielt auf das aktive Spektrum der Photosynthese, Photomorphogenese, Photoperiode und des Phototropismus in Pflanzen ab. Neben hoher Energieeffizienz und beschleunigten Erträgen, Gartenbau-LED-Wachstumslichter bieten eine beispiellose spektrale Kontrolle, die für die Gartenbeleuchtung unerlässlich ist.

LED-Wachstumslampen für den Gartenbau sind Festkörperlichtquellen, die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) im Spektralbereich von 400 bis 700 Nanometern (nm) erzeugen, um die Photosynthese in Pflanzen anzutreiben. Darüber hinaus können LED-Wachstumslampen für den Gartenbau elektromagnetische Strahlung erzeugen, die auf das aktive Spektrum der Photomorphogenese, der Photoperiode und des Phototropismus in Pflanzen abzielt. Gartenbeleuchtungssysteme wurden entwickelt, um zusätzliches photoperiodisches Licht in Gewächshäusern oder als alleinige Quelle photosynthetischen Lichts in kontrollierten Innenräumen bereitzustellen. Der Einsatz energie- und spektraleffizienter LED-Technologie in Gewächshaus-Wachstumslampen hat eine Revolution ausgelöst in Zimmerpflanzenlampe.

Wie beeinflusst Licht das Pflanzenwachstum?

Licht ist essentiell für das Pflanzenwachstum. Alle Pflanzen, einschließlich Blüten-, Frucht- und Gemüsepflanzen, sind autotrophe Organismen, die sich im Laufe der Evolution so entwickelt haben, dass sie Licht zur Photosynthese nutzen. Photosynthese ist der Prozess, mit dem Pflanzen Wasser und Kohlendioxid in komplexe Kohlenhydrate (Zucker) und Sauerstoff umwandeln. Diese Kohlenhydrate, wie Zellulose oder Glukose, liefern Stoffwechselbausteine für verschiedene Biosynthesewege. Überschüssige Kohlenhydrate werden für die Bildung von Biomasse verwendet, unter anderem für Stängelwachstum, Blattvergrößerung, Blüte, Fruchtbildung usw. Die für die Photosynthese verantwortlichen Photorezeptoren sind Chlorophyll, obwohl auch andere Arten von Antennenphotorezeptoren (hauptsächlich Carotinoide) die Photosynthese unterstützen. Neben der Photosynthese dienen bestimmte Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung als Informationsquelle für die Photomorphogenese (lichtbedingte Veränderungen der Pflanzenmorphologie), die Photoperiode (Reaktion auf Hell-Dunkel-Zyklen) und den Phototropismus (Wachstumsrichtung). Jeder Photorezeptortyp reagiert empfindlich auf bestimmte Wellenlängen und führt zu einer anderen Untergruppe lichtmorphogenetischer Veränderungen.

Chlorophyll ist ein wichtiger Photorezeptor grüner Pflanzen und kommt in zwei Hauptformen vor, A und B. Chlorophyll A ist das wichtigste Pflanzenpigment und trägt zu etwa 75 % der photosynthetischen Aktivität bei. Seine Absorptionsspitzen liegen bei 430 nm und 680 nm. Chlorophyll B, dessen Absorptionsspitzen bei 460 nm und 640 nm liegen, ist ein Hilfspigment, das Energie aufnimmt und an Chlorophyll A weitergibt. Daher ist Chlorophyll B nicht eigenständig an der Biosynthese beteiligt. Zudem weist das 3:1-Verhältnis von Chlorophyll A zu B in Pflanzen darauf hin, dass die Pflanzen bei der Photosynthese stark von Chlorophyll A abhängig sind. Obwohl der Chlorophyllspiegel unter elektromagnetischer Strahlung ansteigt, deren Spektralkomponenten reich an Rot (lange Wellenlängen) und Blau (kurze Wellenlängen) sind, reflektiert Chlorophyll die meisten Wellenlängen im grünen Bereich (550 nm bis 650 nm), in dem die Blätter grün erscheinen.

Zur Familie der Carotinoide gehören Beta-Carotin und die wichtigsten Luteine (Zeaxanthin, Violaxanthin und Lutein). Diese sekundären Pflanzenstoffe absorbieren Licht am stärksten im Bereich von 450 nm bis 550 nm. Carotinoide sind gelb bis orange, da sie Licht im Wellenlängenbereich von etwa 550 bis 650 nm reflektieren oder transmittieren. Carotinoide unterstützen nicht nur die Photosynthese, sondern schützen das Chlorophyll auch vor Photooxidation, indem sie überschüssiges Licht in Wärme umwandeln, wenn der photosynthetische Bereich mit zu viel Energie überlastet ist.

Pflanzen besitzen auch nicht-photorezeptorische und nicht-photomorphogene Antennenpigmente wie Anthocyane und Flavonoide. Sie wirken als Sonnenschutzmittel und blockieren die Superoxidproduktion als Reaktion auf hochintensive blaue (400–500 nm) oder ultraviolette (300–400 nm) Strahlung. In Pflanzen sind Anthocyane, Flavonoide und Carotinoide wichtige bioaktive Antioxidantien, die freie Radikale hemmen und Verbindungen eliminieren, die zu Photobleichung und Wachstumshemmung führen können.

Die Photomorphogenese wird durch Phytochrome, Cryptochrome und Phytochrom-Photorezeptoren vermittelt. Es gibt zwei Isomere von Phytochromen, Pr und Pfr, die auf 660 nm Rot- bzw. 735 nm Infrarotstrahlung reagieren. Verschiedene durch Phytochrome vermittelte photomorphogenetische Reaktionen werden an Stoffwechselwege in Pflanzen gesendet, die Samenkeimung, Wurzelentwicklung, Knollen- und Zwiebelbildung, Blattausbreitung, Stängelverlängerung, Ruhephase, Blüte und Fruchtbildung regulieren. Cryptochrome, die Licht im Bereich von 340 nm bis 520 nm absorbieren, verhindern die Hypokotylverlängerung und vermitteln die Synchronisation circadianer Rhythmen in Blütenpflanzen. Phototropine sind plasmamembranlokalisierte Proteinkinasen, die Phototropismus, Chloroplastenakkumulation, Stomataporengröße, Blattabflachung und Hemmung der Blattausbreitung regulieren.

Welche Vorteile bieten LEDs bei der Gartenbeleuchtung?

Hohe Energieeffizienz und lange Lebensdauer sind die wichtigsten Vorteile der LED-Technologie. In der Gartenbeleuchtung hat Effizienz jedoch eine andere Bedeutung. Traditionell werden in Gartenbeleuchtungssystemen Natriumdampf-Hochdrucklampen (HPS), Halogen-Metalldampflampen (MH) oder in einigen Fällen Leuchtstofflampen verwendet. Der Wirkungsgrad dieser Lichtquellen ist jedoch sehr gering (normalerweise unter 20 %). Im Vergleich dazu liegt der Wirkungsgrad von LED-Chips im Netzbetrieb bei bis zu 66 %, während die Strahlungsausbeute von phosphorkonvertierten LEDs deutlich über 40 % liegt.

In dieser Branche wird die Effizienz von Lichtquellen oder Systemen in die Photoneneffizienz umgerechnet. Diese quantifiziert die Effizienz einer LED bei der Erzeugung des photosynthetischen Photonenflusses (PPF) pro Joule eingesetzter elektrischer Energie, anstatt sie am menschlichen Auge zu beschreiben. PPF ist die Gesamtmenge der von einer Lichtquelle erzeugten photosynthetisch aktiven Photonen, gemessen in Mikromol pro Sekunde (µmol/s). Die Photoneneffizienz von Garten-LEDs wird in PPF/W und in µmol/J gemessen. In der Praxis erreichen LED-Wachstumslampen eine Photoneneffizienz von 3.2 PPF/Watt, während typische HPS-Wachstumslampen nur 1.7 PPF/Watt erreichen.

Spektraltechnik ist seit jeher ein zentrales Thema in der Gartenbeleuchtung. Wie bereits erwähnt, stellt die optische Bandbreite zwischen 400 und 700 nm einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums dar und kann Phytochrome zur Photosynthese anregen. Selbst innerhalb des PAR-Spektrums sind nicht alle Wellenlängen des Lichts gleichermaßen wirksam für die Photosynthese von Pflanzen. Rote und blaue Wellenlängen stimulieren die Photosynthese am effektivsten und steuern die Pflanzenmorphologie, während Wellenlängen im grünen Bereich des PAR-Spektrums nur sehr begrenzte Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum haben.

Die spektrale Effizienz beschreibt, wie stark sich die spektrale Leistungsdichte (SPD) einer Lichtquelle mit dem für eine optimale photosynthetische Reaktion erforderlichen Aktionsspektrum überschneidet. Die spektrale Effizienz von HPS-, MH- und Leuchtstofflampen ist gering, da ihre SPDs einen erheblichen Anteil photosynthetisch inaktiven Lichts enthalten, wie z. B. Infrarotstrahlung (IR) und Ultraviolettstrahlung (UV). Die feste SPD dieser Breitbandquellen führt dazu, dass photosynthetisch aktive Strahlung bei manchen Wellenlängen übersättigt und bei anderen untersättigt sein kann.

Die bessere spektrale Kontrolle ist einer der grundlegenden Vorteile von LEDs gegenüber herkömmlichen Gartenbeleuchtungssystemen. LEDs sind im Wesentlichen monochromatische Lichtquellen, die in einem schmalen Spektralband emittieren und farbiges Licht wie Rot, Blau oder Grün erzeugen. Das von der LED emittierte schmalbandige Spektrum lässt sich leicht an den photosynthetischen Peak der PAR-Kurve anpassen. Schmalbandige LEDs können durch Leuchtstoffe in polychromatisches Licht umgewandelt werden, um ein breiteres Spektrum zu erzeugen und so das Pflanzenwachstum über den gesamten Zyklus zu unterstützen. Mehrkanal-LEDs in RGB-, RGBA- oder RGBW-Kombinationen können überlagert und gemischt werden, um jede beliebige Farbe in der LED zu erzeugen. Dies ermöglicht eine beispiellose spektrale Flexibilität und Effizienz.

Im Gegensatz zu Metallhalogenid- und Natriumdampf-Hochdrucklampen, die große Mengen an Infrarotenergie (Wärme) in ihren Strahlungsstrahlen abgeben, strahlen LEDs keine thermische Infrarotenergie in ihrem Spektrum ab. Das Fehlen von Strahlungswärme ermöglicht eine maximale Photonenbestrahlung in der Nähe des Pflanzendachs, was letztendlich zu einer besseren photosynthetischen Produktivität bei gleichzeitiger Platz- und Energieersparnis führt. Der hohe Strahlungswärmestrom von HPS wachsen licht lampe erfordert einen gewissen Abstand zwischen der Lichtquelle und den Pflanzen, daher können diese Lampen nur als Deckenbeleuchtung eingesetzt werden. Die LED-Technologie ermöglicht neue Strategien, wie z. B. die Zwischenbeleuchtung, um eine gleichmäßige photosynthetische Beleuchtung im gesamten Blätterdach zu erreichen, ohne unnötige Wärme zu erzeugen.

Wie werden LED-Wachstumslampen für den Gartenbau hergestellt?

Die epitaktischen Schichten von LED-Wachstumsleuchten für den Gartenbau bestehen aus Halbleitern mit direkter Bandlücke, da diese eine höhere Wahrscheinlichkeit der Strahlungsrekombination aufweisen als Halbleiter mit indirekter Bandlücke. Die beiden wichtigsten Halbleiterfamilien sind Nitriddioden und Phosphiddioden. Indiumgalliumnitrid (InGaN) erzeugt elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums und wird daher zur Herstellung von Dioden in den Farben Weiß, Grün, Cyan, Blau und Königsblau verwendet. Rotes, orangerotes und bernsteinfarbenes Licht kann mit LEDs aus Phosphidhalbleitern wie Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) erzeugt werden, deren kleine Bandlücke es der Diode ermöglicht, längerwellige Strahlung zu erzeugen.

InGaN-Epischichten werden auf Saphir-, Siliziumkarbid- (SiC) oder Siliziumsubstraten (Wafern) aufgewachsen, während AlInGaP-Epischichten auf Galliumarsenid- (GaAs) oder Galliumphosphid- (GaP) Substraten aufgewachsen werden. Hochwertiges epitaktisches Wachstum hängt von der Gitteranpassung des Substratmaterials an die InGaN- oder AlInGaP-Schicht ab. Jede Fehlanpassung zwischen Substrat und Halbleiterschicht kann zu Mikrorissen (Fangversetzungen) führen. Diese Art von atomarem Defekt führt dazu, dass die Rekombination zwischen Elektronen und Löchern strahlungslos erfolgt, was die interne Quanteneffizienz (IQE) der LED beeinträchtigt. Fadenversetzungen bilden sich in der höchsten Dichte auf Silizium- und Saphir-basierten GaN-LEDs. Im Vergleich zu Chips mit Silizium- oder Saphirsubstraten erzeugen SiC-Substrate weitaus weniger Versetzungen und bieten einen Effizienzvorteil von 5 % bis 10 %.

LED-Wachstumslampen für den Gartenbau lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Vollspektrum-LEDs und Schmalband-LEDs. Vollspektrum-LEDs (oder Breitspektrum-LEDs) bilden die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts ab, ohne Wärmestrahlung und Wellenlängenverlust. Die Zusammensetzung dieser LEDs konzentriert sich auf den blauen und roten Bereich und bietet zusätzliche Wellenlängen wie Fernrot und Grün, um die vollständige Kultivierung und Entwicklung der Pflanzen zu unterstützen. Schmalband-LEDs liefern monochromatisches Licht, um die gewünschten Wellenlängen des Lichts zu maximieren. Diese LEDs sind in den Farben Tiefblau (450 nm), Ultrarot (660 nm), Fernrot (730 nm) und Grün (530 nm) erhältlich. Violette LEDs sind weder Vollspektrum- noch Schmalband-LEDs, vereinen aber die wichtigsten Wellenlängen Rot und Blau in einem einzigen Gehäuse und sind marktüblich. Violette LEDs können auch mit Breitspektrum-Lila-LEDs gemischt werden, um den Ertrag (Frischgewicht) und den Gehalt an Antioxidantien zu steigern und gleichzeitig hochwertiges weißes Licht für die visuelle Inspektion und Ernte der Pflanzen zu erzeugen.

Vollspektrum-LEDs und violette LEDs nutzen Wellenlängenkonversion und Farbmischung, um die gewünschte Wellenlängenmischung zu erreichen. Die LED-Chips sind mit einer Phosphormischung beschichtet oder versehen, deren Funktion darin besteht, einen Teil der kurzen Wellenlängen auf längere Wellenlängen herunterzukonvertieren. Daher werden diese LEDs als phosphorkonvertierte LEDs (PC-LEDs) bezeichnet. In PC-LED-Architekturen machen Stokes-Verluste durch Phosphor-Downkonversion einen großen Teil der gesamten LED-Energieverschwendung aus. Schmalband-LEDs sind Direktemitter und unterliegen keiner Phosphor-Downkonversion, sodass sie keine Stokes-Verluste aufweisen.

Phosphorkonvertierte LEDs und Schmalband-LEDs werden typischerweise in Silikon gekapselt. Der Unterschied besteht darin, dass bei PC-LEDs der Phosphor mit einem Silikonpolymer vermischt wird, das als Downconverter und Schutzkapsel fungiert, während bei Schmalband-LEDs ein transparentes Silikonpolymer verwendet wird, um Verunreinigungen fernzuhalten und den Chip vor mechanischen Stößen zu schützen. Die Silikonkapselung weist eine hohe thermische Stabilität, Lichtbeständigkeit und chemische Beständigkeit auf. In der Praxis ist jedoch ein zusätzlicher Schutz der LEDs erforderlich, da die hohe Feuchtigkeits- und Gasdurchlässigkeit von Silikonen in feuchten Anbauumgebungen die Diodenleistung beeinträchtigen kann.

Arten von LED-Wachstumslampen für den Gartenbau

PLCC-LEDs mittlerer Leistung (oberflächenmontierte Bauelemente mit einem Stromverbrauch von weniger als 1 Watt) sind aufgrund ihrer vergleichsweise höheren Effizienz und niedrigeren Kosten im Vergleich zu anderen Gehäusetypen die beliebtesten Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtung und Gartenbeleuchtung. Dieser LED-Typ ist jedoch sehr anfällig für beschleunigten Leistungsabfall und vorzeitige Ausfälle. Daher führen sehr günstige Anschaffungskosten oft nicht zu einer guten Kapitalrendite (ROI), langen Amortisationszeiten und einem sicheren Betriebsklima. PLCC steht für Plastic Leaded Chip Carrier. Die Chips für LEDs mittlerer Leistung mit dieser Architektur sind auf einem silberbeschichteten (Ag) Metall-Leadframe montiert, der in ein Kunststoffgehäuse eingegossen ist. In diesem befindet sich ein reflektierender Hohlraum zur Verbesserung der Lichtauskopplung. Der Hohlraum ist mit einem transparenten oder phosphoreszierenden Hybrid-Silikonpolymer gefüllt, um den Chip einzukapseln. Die elektrische Verbindung und der Wärmepfad zwischen LED-Chip und Leadframe werden durch Drahtbonden hergestellt. Der Hohlraum bzw. das Kunststoffgehäuse kostengünstiger Produkte besteht aus Polyphthalamid (PPA) oder Polycyclohexylterephthalat (PCT), die eine geringe Beständigkeit gegen Photooxidation und thermischen Abbau aufweisen. Die silberne Leadframe-Beschichtung ist anfällig für Korrosion durch Wechselwirkungen mit schwefelhaltigen Verunreinigungen, die durch die Silikonverkapselung in die LED eindringen können. Die in PLCC-Gehäusen verwendeten Drahtverbindungen können brechen. Ineffiziente Wärmeleitpfade können zu einer Konzentration des Wärmeflusses führen, die wiederum zu hoher thermischer Belastung der LED führen kann.

Hochleistungs-LEDs auf Keramiksubstraten verfügen über einen robusten Wärmeleitpfad, der eine hohe photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) an das Pflanzendach liefert. Hochleistungs-LEDs können mit Strömen von mehreren hundert Milliampere bis über einem Ampere betrieben werden und erzeugen photosynthetische Photonenflüsse von über 10 µmol/s aus einem einzigen Gehäuse. Große Chips oder Multi-Chip-Arrays werden auf einem Keramiksubstrat montiert, das zur effizienten Wärmeableitung mit thermischen Vias metallisiert ist. Die hervorragende PPF-Erhaltung und Wellenlängenstabilität rechtfertigen die höheren Kosten dieser keramikbasierten Gartenbau-LEDs.

Chip-on-Board (COB)-LEDs bieten eine große Lichtemitterfläche (LES), die hohe und gleichmäßige PPFD-Werte über die gesamte Oberfläche liefert. COB-LED-Gehäuse bestehen aus einer dichten Anordnung von LED-Chips, die auf eine Metallkern-Leiterplatte (MCPCB) oder ein Keramiksubstrat gebondet sind. Dieses große Substrat mit geringem Wärmewiderstand ermöglicht einen besseren Wärmekontakt mit einem flachen, sauberen Kühlkörper. Durch den Wegfall des Zwischensubstrats wird der Wärmewiderstand des Gehäuses reduziert. Dank des effizienten thermischen Designs können COB-Gehäuse mit hohen Stromdichten betrieben werden und PPFs von bis zu Hunderten von Mikromol pro Sekunde liefern.

Chip Scale Package (CSP)-LEDs kommen ohne Drahtverbindungen und Submounts aus und verfügen über eine Flip-Chip-Architektur. Diese Technologie reduziert den Wärmewiderstand im Gehäuse deutlich und reduziert so die Gehäusegröße und -kosten. CSP-LEDs beheben die Leistungseinbußen von PLCC-LEDs mittlerer Leistung grundlegend und sind daher eine attraktive Lösung für die Gartenbeleuchtungsindustrie.