Comment optimiser les conceptions d'éclairage LED pour la culture en intérieur

L'agriculture en intérieur exploite de plus en plus les nombreux avantages de l'éclairage LED, et ce, pour de bonnes raisons. Les LED sont très petites et légères, fonctionnent au moins 10 fois plus longtemps que toute autre source de lumière, consomment un courant minimal, sont très efficaces, peuvent produire différentes longueurs d'ondes spectrales et sont compatibles avec les systèmes de commande numériques. Toutefois, la conception et l'optimisation des performances d'un système d'éclairage LED constituent un défi complexe qui nécessite de prendre en compte beaucoup plus de paramètres que les prédécesseurs relativement simples, comme les lampes à vapeur de sodium haute pression (HPS).

Cet article décrit le rôle des LED pour l'agriculture en intérieur et les défis qu'elles posent, et présente des recommandations pour leur utilisation. Il offre également des exemples de LED et de composants associés pour des applications d'agriculture en intérieur de fournisseurs comme OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio et Microchip Technology. Pour finir, il aborde les développements récents dans l'utilisation du spectre UV ainsi que d'autres exigences relatives à l'optimisation des systèmes d'éclairage LED.

L'écosystème de culture LED en pleine expansion

La transition des lampes à vapeur de sodium haute pression et d'autres sources d'éclairage vers les LED pour la culture en intérieur a été rendue possible par l'ampleur du marché de l'éclairage grand public, qui a incité à faire progresser plus rapidement l'état de la technique. En conséquence, la variété, les performances, la fiabilité et le coût des LED se sont considérablement améliorés ces dernières années. Par exemple, le modèle GH CS8PM1.24-4T2U-1 d'OSRAM est centré sur le spectre de 646 nm à 666 nm (rouge), ayant une énergie rayonnante de 425 mW avec un rendement de 59 % et un angle de rayonnement de 80°.

Le modèle SST-10-B de Luminous Devices est centré sur une longueur d'onde de 450 nm (bleue) et délivre une énergie rayonnante minimale de 510 mW avec un rendement de 57 %. L'angle de rayonnement peut être spécifié sur 90° ou 130°. Les LED horticoles de Würth Elektronik incluent le modèle 150353GS74500 de 525 nm (vert) ayant un angle de champ de 125°. Ces fabricants, ainsi que d'autres, proposent également des LED avec d'autres longueurs d'ondes pour les fermes en intérieur, qui couvrent l'ensemble du spectre requis pour la culture (Figure 1).

Figure 1 : Le spectre d'absorption des pigments utilisés pour la photosynthèse s'étend largement dans le spectre visible d'environ 400 nm à 700 nm. (Source de l'image : Würth Elektronik)

La culture de plantes en intérieur couvre de nombreuses disciplines scientifiques, de la botanique à la science des plantes et des sols, en passant par la gestion des cultures et, désormais, les systèmes de surveillance et de contrôle électroniques. L'injection d'une nouvelle source d'éclairage dans cet environnement est à la fois complexe et enrichissante, car de nouvelles découvertes sont réalisées à un rythme soutenu. Il est possible d'obtenir des résultats réellement stupéfiants dans les conditions optimales obtenues en intérieur à l'aide d'un éclairage LED.

La ferme de laitues verticale de Mirai située dans la ville japonaise de Tagajō est souvent citée en exemple (Figure 2). Dans cette installation de 2323 m², située dans les salles blanches d'un ancien bâtiment de fabrication Sony, des milliers de têtes de laitue et d'autres plantes sont récoltées chaque jour depuis 2015. Pour arriver à un tel résultat, 17 500 LED sont utilisées, sans recourir à des pesticides, avec 1/50 de l'eau et 40 % de déchets alimentaires en moins, dans un environnement dépourvu de bactéries.

Figure 2 : La ferme verticale de Mirai est la deuxième plus grande au monde et l'une des premières à devenir opérationnelle. (Source de l'image : National Geographic)

La polyvalence implique des défis

Ironiquement peut-être, la polyvalence des LED, l'un des avantages uniques et fondamentaux pour la culture en intérieur, complique également l'implémentation d'une ferme en intérieur basée sur des LED. Par exemple, étant donné qu'elles sont à gradation, il est donc impératif d'inclure cette fonctionnalité dans les circuits d'attaque associés. De plus, l'obtention de longueurs d'ondes spécifiques à une installation nécessite la connaissance des spécifications plus complexes des LED.

En tant que dispositifs à semi-conducteurs, les LED nécessitent une attention particulière par rapport à des facteurs non requis pour une « ampoule », notamment une protection contre les surcharges fiable et rapide et l'adaptation précise de la diode au circuit de commande, entre autres. Heureusement, la croissance rapide de l'horticulture, en particulier de l'agriculture verticale, a incité les fabricants de composantes d'éclairage à développer des écosystèmes entiers consacrés à cette application, notamment des conceptions de référence, des cartes d'évaluation et des ouvrages techniques allant des ouvrages de base aux plus avancés, qui facilitent le travail du concepteur.

Certains producteurs s'imaginent à tort que les LED produisent moins de chaleur que les luminaires HPS, mais cela n'est vrai que si le luminaire LED est alimenté à une puissance inférieure. En d'autres termes, un luminaire LED de 600 W et une source d'éclairage HPS de 600 W produisent à peu près la même quantité de chaleur. La différence entre les deux est la quantité d'énergie lumineuse produite et la façon dont la chaleur est émise par le luminaire.

La chaleur des sources d'éclairage HPS peut atteindre 427°C (800°F) et rayonne vers la culture, tandis que la chaleur des LED réside là où la diode et ses composants électroniques sont montés sur la carte à circuit imprimé et n'est pas axée sur la plante. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les LED sont de loin supérieures aux HPS pour l'agriculture verticale, car elles peuvent être placées très près des plantes sans causer de dommages.

Le choix logique basé sur la discussion ci-dessus consisterait à choisir des LED à plus basse puissance, ce qui est généralement le cas pour les applications multicouches rapprochées. Cependant, la plupart des LED basse puissance ont un angle de rayonnement fixe, tandis que les LED haute puissance sont disponibles avec des incréments d'angle de rayonnement de 80 à 150 degrés. En outre, de nombreuses autres LED basse puissance sont nécessaires pour obtenir les performances d'une LED haute puissance. Les LED haute puissance sont souvent les mieux adaptées aux applications de déflecteur dans lesquelles une sortie supérieure peut fournir une couverture de zone étendue à distance.

Néanmoins, la chaleur générée par le luminaire LED est toujours présente et doit être évacuée rapidement de la carte par un système de gestion thermique, sinon la longévité des LED diminue considérablement et une défaillance complète n'est pas rare. Les principales méthodes de refroidissement sont les appareils passifs munis de dissipateurs thermiques et les appareils à refroidissement actif qui utilisent des ventilateurs ou de l'eau. Ces derniers types consomment de l'énergie et, étant des dispositifs mécaniques, ils peuvent tomber en panne, entraînant une surchauffe des LED.

Optimisation de la durée de vie

Les LED ont généralement une durée de vie spécifiée par le fabricant d'au moins 20 000 heures et pouvant souvent atteindre 50 000 heures, la fin de vie étant définie comme une réduction de 70 % de la luminosité par rapport à sa valeur initiale. Le concepteur de systèmes d'éclairage LED a pour objectif de faire en sorte que les LED atteignent leur durée de vie nominale, tout en conservant la sortie la plus élevée au fil du temps, en stabilisant leur tension et leur courant d'entrée. Cette tâche est assurée par l'alimentation, en particulier par le circuit d'attaque LED qui acquiert des données en continu à partir de capteurs de température et effectue des réglages pour maintenir des performances optimales. Pour compléter ces fonctionnalités, il est souhaitable de mesurer la luminosité des sources d'éclairage en temps réel, en transmettant à nouveau les informations au circuit d'attaque. Les capteurs spectraux constituent le moyen le plus économique et le moins complexe pour ce faire.

Par exemple, ams fournit une famille de capteurs spectraux qui mesurent le profil spectral réel des LED en temps réel et commandent directement un circuit d'attaque LED pour ajuster la sortie jusqu'à ce qu'elle corresponde aux valeurs cibles spécifiées en matière de chromaticité et d'intensité. Le modèle AS7263-BLGT se compose de six filtres optiques indépendants dont la réponse spectrale est adaptée à une plage de 600 nm à 870 nm (Figure 3), tandis que l'AS7262-BLGT couvre de 450 nm à 650 nm. Ensemble, ils permettent de surveiller avec précision les LED individuelles, que ce soit dans un luminaire ou directement au niveau de l'installation. La communication est fournie avec des messages texte via UART ou I²C. La collectivité, ces capteurs, ainsi que d'autres fonctionnalités, permettent d'optimiser la durée de vie des LED tout en permettant une analyse des tendances, entre autres.

Figure 3 : Le capteur de lumière AS7263-BLGT est sensible aux longueurs d'ondes comprises entre 450 nm et 650 nm. Il fait partie d'une famille de capteurs spectraux qui mesurent le profil spectral des LED en temps réel et qui commandent directement un circuit d'attaque LED pour ajuster la sortie jusqu'à ce qu'elle corresponde aux valeurs cibles spécifiées en matière de chromaticité et d'intensité. (Source de l'image : ams)

Protection des circuits

La plupart des applications nécessitent que les chaînes de LED soient alimentées avec une alimentation à courant constant, ce qui peut être difficile à concevoir dans les longues chaînes. La protection des circuits repose sur plusieurs composants dans le système de commande, car tout le circuit de commande, de la LED aux composants passifs et actifs, doit être protégé des transitoires. Le dispositif principal de protection contre les surtensions est une varistance à oxyde métallique (MOV) située sur l'entrée CA qui offre un niveau élevé de suppression de tension transitoire, ainsi qu'une réduction des contraintes causées par les effets de pointes de tension de crête. Il absorbe l'énergie potentiellement destructive et la dissipe sous forme de chaleur, contribuant ainsi à la protection des composants. Généralement, un circuit d'attaque de chaîne de LED comprend également une résistance à coefficient de température positif (CTP) protégeant les LED des surintensités et des surchauffes, ainsi qu'une diode de suppression de tension transitoire (TVS) parallèle pour la protection contre les surtensions. Le circuit redresseur de ligne doit inclure un fusible CC haute tension sur la sortie pour une protection secondaire. Il est également recommandé d'ajouter un fusible réarmable en série avec la LED afin d'empêcher un emballement thermique.

Une autre considération est que l'agriculture en intérieur nécessite généralement des températures ambiantes relativement élevées et une humidité élevée pour favoriser la croissance des plantes. Il est donc nécessaire que le système d'éclairage puisse fonctionner dans cet environnement. En outre, contrairement aux luminaires utilisés dans d'autres applications qui restent au même endroit tout au long de leur vie, ceux utilisés dans les fermes verticales sont conçus pour être surélevés, baissés ou repositionnés afin d'optimiser la croissance des plantes. Cela a un impact sur les exigences de câblage détaillées dans la norme UL 8000.

Considérations relatives au circuit d'attaque

Il existe deux principaux types de circuits d'attaque, ceux utilisant une alimentation d'entrée CC basse tension et ceux utilisant une alimentation CA haute tension. Par exemple, le CL88030-E/MF de Microchip Technology est conçu pour commander une longue chaîne de LED à faible courant directement à partir de 120, 230 ou 277 V_CA. Une application typique inclut le circuit intégré d'attaque, quatre FET de puissance, quatre résistances, deux condensateurs et un pont redresseur. Une protection contre la surchauffe est fournie pour réduire progressivement le flux lumineux lorsque la température augmente, ainsi que pour la régulation de ligne. Il est possible d'implémenter une protection supplémentaire contre la surchauffe avec une thermistance CTN (Figure 4).

Figure 4 : Un circuit d'application pour le circuit d'attaque linéaire séquentiel modèle CL88030-E/MF de Microchip Technology montre le dispositif ainsi qu'un circuit de protection utilisant une varistance à oxyde métallique (MOV). (Source de l'image : Microchip Technology)

Le nombre de LED pouvant être placées en série dépend du circuit d'attaque, de la tension d'entrée, des codes électriques et des normes de sécurité. Le placement des LED dans une seule chaîne en série bénéficie de la nécessité d'utiliser un seul circuit d'attaque avec un flux de courant égal dans chaque LED. Cependant, il en résulte une tension de sortie élevée et donc des composants de circuit plus importants, et éventuellement la nécessité de prendre en compte des normes de sécurité supplémentaires.

Une matrice série-parallèle a une tension d'entrée inférieure et réduit le risque de choc électrique. Si une branche LED tombe en panne, les autres branches continuent de fonctionner et la défaillance d'une LED ne désactive pas l'ensemble de la matrice. Cela étant dit, le circuit d'attaque est une source de courant constant, il force donc plus de courant dans les dispositifs opérationnels avec une possible surchauffe. La matrice série-parallèle ne permet pas non plus aux LED de partager le courant d'attaque de manière égale, sauf si les tensions directes des LED sont très similaires.

Une solution à certains de ces problèmes consiste à utiliser des circuits d'attaque pour chaque chaîne de LED, ce qui offre la plus haute fiabilité, mais augmente les coûts et la taille. Cette approche permet de générer une sortie lumineuse même si plusieurs chaînes de LED sont défaillantes.

La question de l'éclairage UV

Les milieux universitaires et industriels continuent de débattre longuement du potentiel d'utilisation des LED dans la partie non visible ultraviolette « B » (UV-B) du spectre entre 280 nm et 385 nm pour la culture de plantes. La lumière UV a généralement été jugée moins intéressante pour l'agriculture en intérieur, car elle se situe en dehors des longueurs d'ondes photosynthétiquement actives. Par conséquent, il y a environ 15 ans, peu de recherches étaient menées sur le sujet.

La sécurité est un autre facteur limitant l'intérêt dans cette région spectrale : les photons UV-B sont bien connus pour endommager les cellules chez l'homme et les plantes. En réalité, les fabricants de solutions d'éclairage prennent de nombreuses mesures pour réduire considérablement les rayons UV émis par leurs dispositifs. En l'état, l'utilisation des UV dans l'agriculture en intérieur nécessiterait de nombreuses mesures de protection pour toutes les personnes travaillant dans l'enceinte.

Ce qui a attiré l'intérêt de l'agriculture verticale ainsi que de l'agriculture en général, c'est la réaction des plantes à la lumière UV-B, qui force la plante à activer ses mécanismes de défense pour se protéger de ces longueurs d'ondes. Des études montrent que certaines plantes peuvent produire 15 protéines de défense différentes lorsqu'elles sont exposées aux UV-B. Certaines de ces protéines affectent l'odeur, la couleur, le goût et la résistance d'une plante aux maladies qui ne sont pas produites par d'autres longueurs d'ondes.

Une idée brillante sur ce sujet controversé est apparue lorsque le photorécepteur spécifique UV-B (UVR8) a été découvert au début des années 2000 et caractérisé en 2011. Les mécanismes par lesquels l'UVR8 régule l'expression génique ne sont pas clairement compris, pas plus que le fonctionnement de sa voie et ses interactions avec d'autres voies sous le contrôle d'autres photorécepteurs.

Néanmoins, des avantages potentiels de la lumière UV-B ont été signalés dans des documents, notamment la réduction de la croissance maximale, l'augmentation de l'épaisseur de la feuille et de la cire, une plus grande coloration des feuilles de la laitue rouge et de certaines autres plantes, une résistance élevée aux agents pathogènes et aux insectes, le doublement de la durée de conservation, l'augmentation de la production d'antioxydants et de flavonoïdes utiles et l'amélioration de la valeur nutritionnelle des fruits et des légumes.

Il reste encore beaucoup de recherches à effectuer pour déterminer si les nombreux avantages déclarés sont réels et si l'utilisation de l'éclairage UV-B pour la culture en intérieur vaut la peine d'y consacrer autant de temps et d'investir énormément dans les équipements et la formation pour garantir la sécurité. En attendant, des LED UV ciblées pour d'autres applications sont disponibles, par exemple la carte en étoile LED UV modèle RVXR-280-SB-073105 de RayVio avec une longueur d'onde spectrale de 280 nm.

Conclusion

La flexibilité fournie par les LED présente des défis allant bien au-delà des installations utilisant des sources de lumière relativement simples telles que les lampes à vapeur de sodium haute pression (HPS). Néanmoins, la possibilité de cultiver plus de plantes dans moins d'espace, sans besoin de produits chimiques et avec beaucoup moins de sol (voire aucun), tout en augmentant la valeur nutritionnelle des légumes et en améliorant la floraison des plantes, est extrêmement attrayante. Par conséquent, l'industrie de l'éclairage et des composants à semi-conducteurs simplifie l'application de l'éclairage LED avec des solutions bien prises en charge, tout en améliorant les technologies.