La radiación electromagnética producida por las luces de crecimiento de la horticultura se dirige al espectro activo de la fotosíntesis, la fotomorfogénesis, el fotoperíodo y el fototropismo en las plantas. Además de alta eficiencia energética y retornos acelerados, luces de cultivo led para horticultura ofrecen un control espectral sin precedentes, que es esencial para la iluminación hortícola.
Las luces de cultivo LED para horticultura son fuentes de luz de estado sólido que generan radiación fotosintéticamente activa (PAR) en el rango espectral de 400 a 700 nanómetros (nm) para impulsar la fotosíntesis en las plantas. Además, las luces de cultivo LED para horticultura se pueden utilizar para generar radiación electromagnética dirigida al espectro activo de fotomorfogénesis, fotoperíodo y fototropismo en las plantas. Los sistemas de iluminación hortícola se han desarrollado para proporcionar luz fotoperiódica suplementaria en un entorno de invernadero o una única fuente de luz fotosintética en un entorno interior controlado. El uso de tecnología LED de eficiencia energética y espectral en luces de cultivo de invernadero ha provocado una revolución en lámpara de planta de interior.
¿Cómo afecta la luz al crecimiento de las plantas?
La luz es esencial para el crecimiento de las plantas. Todas las plantas, incluidas las plantas con flores, fructíferas y vegetales, son autótrofas que han evolucionado para usar la luz para impulsar la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso que utilizan las plantas para convertir el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos complejos (azúcares) y oxígeno. Estos carbohidratos, como la celulosa o la glucosa, proporcionan componentes básicos metabólicos para varias vías biosintéticas. Los hidratos de carbono en exceso se utilizan para la formación de biomasa, incluyendo el alargamiento del tallo, aumento del área foliar, floración, formación de frutos, etc. Los fotorreceptores responsables de la fotosíntesis son la clorofila, aunque otros tipos de fotorreceptores antenales (principalmente carotenoides) también facilitan la fotosíntesis. Además de impulsar la fotosíntesis, las longitudes de onda específicas de la radiación electromagnética se utilizan como fuente de información para impulsar la fotomorfogénesis (cambios en la morfología de las plantas causados por la luz), el fotoperíodo (respuesta a los ciclos de luz y oscuridad) y el fototropismo (dirección de crecimiento). Cada tipo de fotorreceptor es sensible a longitudes de onda específicas e impulsa un subconjunto diferente de cambios morfogenéticos de luz.
La clorofila es un fotorreceptor clave en las plantas verdes y se presenta en dos formas principales, A y B. La clorofila A es el pigmento principal de las plantas y representa aproximadamente 75% de actividad fotosintética, con respuestas de absorción máximas a 430 nm y 680 nm. La clorofila B, con picos de absorción a 460 nm y 640 nm, es un pigmento auxiliar que recoge energía y la transfiere a la clorofila A. Por lo tanto, la clorofila B no participa de forma independiente en la biosíntesis. Además, la proporción de 3:1 de clorofila A a B en las plantas indica una mayor dependencia de las plantas de la clorofila A en la fotosíntesis. Aunque los niveles de clorofila aumentan bajo la radiación electromagnética cuyos componentes espectrales son ricos en rojo (longitudes de onda largas) y azul (longitudes de onda cortas), la clorofila refleja la mayoría de las longitudes de onda en la región verde (550 nm a 650 nm), que es donde aparecen las hojas. La razón es verde.
La familia de los carotenoides incluye el betacaroteno y las principales luteínas (zeaxantina, violaxantina y luteína). Estos metabolitos secundarios absorben la luz más fuertemente en el rango de 450 nm a 550 nm. Los carotenoides son de color amarillo a naranja porque reflejan o transmiten la luz en el espectro de longitud de onda de aproximadamente 550 a 650 nm. Los carotenoides no solo ayudan en la fotosíntesis, sino que también protegen a la clorofila de la fotooxidación al disipar el exceso de luz en forma de calor cuando el área fotosintética está sobrecargada con energía de entrada.
Las plantas también tienen pigmentos de antena no fotorreceptores y no fotomorfogénicos, como antocianinas y flavonoides. Actúan como filtros solares y bloquean la producción de superóxido en respuesta a la radiación azul (400-500nm) o ultravioleta (300-400nm) de alta intensidad. En las plantas, las antocianinas, los flavonoides y los carotenoides son importantes antioxidantes bioactivos que inhiben los radicales libres y eliminan los compuestos que pueden provocar fotodecoloración e inhibición del crecimiento.
La fotomorfogénesis está mediada por fitocromos, criptocromos y fotorreceptores de fitocromos. Hay dos isómeros de fitocromos, llamados Pr y Pfr, que responden a la radiación infrarroja de 735 nm y rojo de 660 nm, respectivamente. Se envían diferentes respuestas fotomorfogenéticas mediadas por fitocromos a vías metabólicas dentro de las plantas que regulan la germinación de semillas, el desarrollo de raíces, la formación de tubérculos y bulbos, la expansión de hojas, la elongación de tallos, la latencia, la floración y la producción de frutos. Los criptocromos que absorben la luz en el rango de 340 nm a 520 nm previenen el alargamiento del hipocótilo y median el arrastre de los ritmos circadianos en las plantas con flores. Las fototropinas son proteínas quinasas localizadas en la membrana plasmática que regulan el fototropismo, la acumulación de cloroplastos, el tamaño de los poros de los estomas, el aplanamiento de las hojas y la inhibición de la expansión de las hojas.
¿Cuáles son las ventajas del LED en la iluminación hortícola?
La alta eficiencia energética y la larga vida útil son las ventajas distintivas de la tecnología LED. En la iluminación hortícola, la eficiencia tiene otra interpretación. Tradicionalmente, los sistemas de iluminación hortícola han utilizado lámparas de sodio de alta presión (HPS), de halogenuros metálicos (MH) o, en algunos casos, lámparas fluorescentes. Sin embargo, la eficiencia de conversión de energía de estas fuentes de luz es muy baja (generalmente por debajo de 20%). En comparación, la eficiencia de enchufe de pared de los chips LED es tan alta como 66%, mientras que la eficiencia radiante de los LED convertidos con fósforo es mucho mayor que 40%.
En esta industria, la eficiencia de la fuente de luz o del sistema se convierte en eficiencia de fotones, que cuantifica la eficiencia de un LED en la producción de flujo de fotones fotosintéticos (PPF) por julio de energía eléctrica utilizada, en lugar de describirlo en el ojo humano. PPF es la cantidad total de fotones fotosintéticamente activos producidos por una fuente de luz, medidos en micromoles por segundo (µmol/s). La eficiencia de los fotones de los LED hortícolas se mide en PPF/W y en µmol/J. En la práctica, las luces de cultivo LED pueden lograr una eficiencia de fotones de 3,2 PPF/vatio, mientras que las luces de cultivo HPS típicas solo pueden alcanzar 1,7 PPF/vatio.
La ingeniería espectral ha sido un tema central en la iluminación hortícola desde el principio. Como se mencionó anteriormente, el ancho de banda óptico entre 400 y 700 nm es una parte importante del espectro electromagnético y puede estimular los fitocromos para la fotosíntesis. Incluso dentro del espectro PAR, no todas las longitudes de onda de luz son igualmente efectivas para impulsar la fotosíntesis de las plantas. Las longitudes de onda rojas y azules son más efectivas para estimular la fotosíntesis y controlar la morfología de las plantas, mientras que las longitudes de onda que caen dentro de la porción verde del rango PAR tienen efectos muy limitados en el crecimiento de las plantas.
La eficiencia espectral describe cuánto se superpone la densidad de potencia espectral (SPD) de una fuente de luz con el espectro de acción requerido para la respuesta fotosintética más eficiente. La eficiencia espectral de las lámparas HPS, MH y fluorescentes es pobre porque sus SPD contienen una porción significativa de luz fotosintéticamente inactiva, como la radiación infrarroja (IR) y la radiación ultravioleta (UV). La SPD fija de estas fuentes de amplio espectro significa que la radiación fotosintéticamente activa puede estar sobresaturada en algunas longitudes de onda y subsaturada en otras.
Un mejor control espectral es una de las ventajas fundamentales que mantienen los LED sobre los sistemas tradicionales de iluminación hortícola. Los LED son esencialmente fuentes de luz monocromáticas, que emiten en una banda espectral estrecha y producen luz de colores como el rojo, el azul o el verde. El espectro de ancho de banda estrecho emitido por el LED se puede ajustar fácilmente para que corresponda con el pico fotosintético de la curva PAR. Los LED de banda estrecha se pueden convertir en luz policromática mediante fósforos para un espectro más amplio para apoyar el ciclo completo de crecimiento de las plantas. Los LED multicanal en combinaciones RGB, RGBA o RGBW se pueden superponer y mezclar para crear cualquier color en el LED, lo que permite una flexibilidad y eficiencia espectral sin precedentes.
A diferencia de las lámparas de halogenuros metálicos y de sodio de alta presión, que disipan grandes cantidades de energía infrarroja (calor) en sus haces radiantes, los LED no irradian energía infrarroja térmica en su espectro. La ausencia de calor radiante permite la máxima irradiación de fotones cerca del dosel de la planta, lo que en última instancia conduce a una mejor productividad fotosintética al tiempo que ahorra espacio y energía. El alto flujo de calor radiante de HPS lámpara de luz de crecimiento requiere una cierta distancia entre la fuente de luz y las plantas, por lo que estas lámparas solo se pueden usar en aplicaciones de iluminación cenital. La tecnología LED permite nuevas estrategias, como la interiluminación, para lograr una iluminación fotosintética uniforme en todo el dosel sin generar calor innecesario.
¿Cómo se fabrican las luces de cultivo LED para horticultura?
Las capas epitaxiales de las luces de cultivo LED para horticultura están hechas de semiconductores de banda prohibida directa porque tienen una mayor probabilidad de recombinación radiativa que los semiconductores con banda prohibida indirecta. Las dos familias principales de semiconductores son los diodos de nitruro y los diodos de fosfuro. El nitruro de indio y galio (InGaN) produce radiación electromagnética en la parte de longitud de onda más corta del espectro visible y, por lo tanto, se utiliza para fabricar diodos blancos, verdes, cian, azules y azules reales. La luz roja, roja anaranjada y ámbar se puede producir utilizando LED formados a partir de semiconductores de fosfuro como el fosfuro de aluminio, indio y galio (AlInGaP), cuya pequeña banda prohibida permite que el diodo genere radiación de longitud de onda más larga.
Las epicapas de InGaN crecen sobre sustratos de zafiro, carburo de silicio (SiC) o silicio (obleas), mientras que las epicapas de AlInGaP crecen sobre sustratos de arseniuro de galio (GaAs) o fosfuro de galio (GaP). El crecimiento epitaxial de alta calidad depende de la coincidencia de la red del material del sustrato con la capa de InGaN o AlInGaP. Cualquier desajuste entre el sustrato y la capa semiconductora puede provocar microfisuras (dislocaciones de hilo). Este tipo de defecto atómico hace que la recombinación entre electrones y huecos se produzca de forma no radiativa, lo que compromete la eficiencia cuántica interna (IQE) del LED. Las dislocaciones de rosca se forman en la densidad más alta en los LED de GaN basados en silicio y zafiro. En comparación con los chips con sustratos de silicio o zafiro, los sustratos de SiC generan muchas menos dislocaciones y ofrecen una ventaja de eficiencia de 5% a 10%.
Las luces de cultivo LED para horticultura se pueden dividir en dos categorías: LED de espectro completo y LED de banda estrecha. Los LED de espectro completo (o amplio) proporcionan la composición espectral de la luz solar sin radiación térmica ni desperdicio de longitud de onda. Las formulaciones de estos LED se enfocan en las regiones azul y roja al tiempo que brindan longitudes de onda adicionales, como el rojo lejano y el verde, para respaldar el cultivo de ciclo completo y el desarrollo completo de la planta. Los LED de banda estrecha proporcionan una salida monocromática para maximizar las longitudes de onda de luz más deseadas. Estos LED están disponibles en colores azul profundo (450 nm), ultra rojo (660 nm), rojo lejano (730 nm) y verde (530 nm). Los LED violetas no son LED de espectro completo ni de banda estrecha, pero combinan las longitudes de onda clave de rojo y azul en un solo paquete y son estándar en el mercado. Los LED violetas también se pueden mezclar con LED de cal de amplio espectro para aumentar el rendimiento (peso fresco) y los niveles de antioxidantes, mientras se produce luz blanca de alta calidad para facilitar la inspección visual y la cosecha de plantas.
Los LED de espectro completo y los LED violeta utilizan conversión de longitud de onda y mezcla de colores para lograr la mezcla de longitud de onda deseada. Los chips LED están recubiertos o dispensados con una mezcla de fósforo cuya función es convertir una parte de las longitudes de onda cortas en longitudes de onda más largas. Por lo tanto, estos LED se denominan LED convertidos con fósforo (PC-LED). En las arquitecturas PC-LED, las pérdidas de Stokes debidas a la conversión descendente del fósforo representan una gran parte del desperdicio total de energía LED. Los LED de banda estrecha son emisores directos y no sufren conversión descendente de fósforo, por lo que no sufren pérdidas de Stokes.
Los LED convertidos con fósforo y los LED de banda estrecha suelen estar encapsulados en silicona. La diferencia es que en los PC-LED, el fósforo se mezcla con un polímero de silicona para que actúe como convertidor descendente y encapsulante protector, mientras que en los LED de banda estrecha se utiliza un polímero de silicona transparente para evitar la entrada de contaminantes y proteger el chip. choque. La encapsulación de silicio tiene alta estabilidad térmica, estabilidad a la luz y resistencia química. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, se requiere protección adicional de los LED porque la alta permeabilidad a la humedad y al gas de las siliconas puede ser un factor de degradación para los diodos en ambientes de cultivo con mucha humedad.
Tipos de luces de cultivo led para horticultura
Los LED de potencia media tipo PLCC (dispositivos de montaje en superficie que consumen menos de 1 vatio) son las fuentes de luz más populares para la iluminación general y hortícola debido a su eficiencia relativamente más alta y su costo más bajo que otros tipos de paquetes. Sin embargo, este tipo de LED es muy susceptible a la degradación acelerada del rendimiento y fallas prematuras. Como resultado, los costos iniciales muy competitivos a menudo no se traducen en un buen retorno de la inversión (ROI), largos períodos de recuperación y tranquilidad. PLCC es la abreviatura de Plastic Leaded Chip Carrier. Los chips para LED de potencia media que utilizan esta arquitectura están montados en un marco de plomo de metal recubierto de plata (Ag) moldeado en una carcasa de plástico en la que se forma una cavidad reflectante para mejorar la extracción de luz. La cavidad se rellena con un polímero de silicona híbrido transparente o fosforescente para encapsular el chip. La conexión eléctrica y la ruta térmica entre el chip LED y el marco del cable se realizan mediante unión de cables. La cavidad o carcasa de plástico de los productos económicos está hecha de poliftalamida (PPA) o tereftalato de policiclohexilo (PCT), que tienen poca resistencia a la fotooxidación y la degradación térmica. El revestimiento de plata del marco de plomo es susceptible a la corrosión debido a las interacciones con contaminantes que contienen azufre que pueden penetrar en el LED a través de la encapsulación de silicona. Los enlaces de cables utilizados en los paquetes de PLCC pueden romperse. Las rutas de conducción de calor ineficientes pueden conducir a una concentración de flujo de calor que puede introducir un alto estrés térmico en el LED.
Los LED de alta potencia fabricados sobre sustratos cerámicos tienen una ruta de conducción térmica robusta capaz de entregar una alta densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) al dosel de la planta. Los LED de alta potencia pueden funcionar con corrientes que van desde cientos de miliamperios hasta más de un amperio y producen flujos de fotones fotosintéticos de más de 10 µmol/s desde un solo paquete. Los chips grandes o las matrices de chips múltiples se montan en un sustrato de cerámica metalizado con vías térmicas para una disipación de calor eficiente. El excelente mantenimiento de PPF y la estabilidad de la longitud de onda justifican el mayor costo de estos LED hortícolas a base de cerámica.
Los LED de chip a bordo (COB) proporcionan una gran superficie de emisión de luz (LES) que proporciona valores de PPFD altos y uniformes en todo el dosel. Los paquetes LED COB consisten en una densa matriz de chips LED que se unen a una placa de circuito impreso con núcleo de metal (MCPCB) o sustrato cerámico. Este sustrato grande de baja resistencia térmica permite un mejor contacto térmico con un disipador de calor plano y limpio. La eliminación del sustrato intermedio reduce la resistencia térmica del paquete. El diseño térmico eficiente permite que los paquetes COB funcionen a altas densidades de corriente y entreguen PPF de hasta cientos de micromoles por segundo.
Los LED Chip Scale Package (CSP) eliminan los enlaces de cables y los submontajes con una arquitectura flip-chip. Esta tecnología reduce significativamente la resistencia térmica dentro del paquete, lo que reduce el tamaño y el costo del paquete. Los LED CSP abordan fundamentalmente los factores de degradación del rendimiento de los LED de potencia media tipo PLCC, lo que los convierte en una solución atractiva para la industria de la iluminación hortícola.
