ЛАБОРАТОРНЫЙ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ РАСТЕНИЙ

Полезная модель относится к области облучения растений и может быть использована в исследовательских теплицах и гроубоксах для изучения влияния спектрального состава потока излучения на рост растений.
Известна светодиодная система освещения растений, включающая красные, синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды и блок управления с отдельными выходами регулирования уровня излучения светодиодов каждого спектра отдельно в зависимости от этапа развития и вида растений, содержащая также светодиоды белого спектра (патент RU 107020, 18.06.2010). В другом варианте светодиодная система освещения растений, включающая светодиоды и блок управления уровнем освещенности и выдержки в зависимости от этапа развития и вида растений, содержит светодиоды белого спектра и дополнительные ультрафиолетовые светодиоды; мощность излучения ультрафиолетовых светодиодов составляет 5…15% от белых, причем белые и ультрафиолетовые светодиоды работают или одновременно, или поочередно, с разными промежутками времени. В другом варианте светодиодная система освещения растений, включающая светодиоды и блок управления уровнем освещенности и выдержки в зависимости от этапа развития и вида растений, в качестве источника света содержит светодиоды белого спектра.
Недостатком такой системы освещения является невозможность раздельного регулирования всех спектральных диапазонов, так как светодиоды являются узкоспектральными источникам света и при наборе синих, красных, зеленых, ультрафиолетовых светодиодов все равно останутся области спектра, где не удастся существенно изменить мощность излучения, не затрагивая соседних областей. Также указанная светодиодная система освещения растений не содержит светодиодов с дальним красным светом, который необходим растениям для регуляции.
Известен универсальный светодиодный осветитель с микропроцессорным управлением, содержащий плафон с источником света, состоящим из групп светодиодов с различными спектрами излучения, корпус с микропроцессорной системой управления и коммутатором групп светодиодов, датчик освещенности и блок электрического питания; в данном осветителе плафон шарнирно установлен на держателе, а корпус и держатель прикреплены к подставке, расположенной на освещаемой поверхности (патент RU 39183, 20.07.2004). Управление изменением параметров светового потока может производиться вручную или автоматически с помощью микропроцессора
Недостатком данного светодиодного осветителя является шарнирное крепление плафона с источником света к держателю, который вводит существенные ограничения на максимальный вес плафона и, следовательно, на мощность источника света, создаваемый уровень облученности и площадь, освещаемую осветителем и не указано соотношение мощностей излучения различных спектральных групп светодиодов.
Как известно, влияние света на растения является, с одной стороны, субстратным, то есть стимулирующим рост биомассы растения за счет использования энергии света на образование новых химических связей в процессе фотосинтеза, с другой стороны - регуляторным, то есть контролирующим протекание физиологических процессов растения, таких как фототропизм (поворот органов растения за источником света), направленность биохимического синтеза, изменение размера устьиц и др. При этом количество энергии, требующейся для набора биомассы в процессе фотосинтеза, превышает на 2-3 порядка количество энергии, необходимой для запуска процессов регуляции (Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М., Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы, Новосибирск, 2000 г.). В регуляции участвуют практически все спектральные области в диапазоне 320...750 нм; максимумы спектра действия фотосинтеза, согласно результатам экспериментальных работам ученых К.А. Тимирязева, Маккри (МсСгее), Инада (Inada) и других авторов, совпадают для всех зеленых растений и лежат в диапазонах 420…460 нм и 650…690 нм.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является светодиодный облучатель, содержащий корпус, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда, сборки модулей, установленные каждый внутри нижней части корпуса и снабженные каждый печатной платой с теплопроводной прокладкой и установленными на ней светодиодами закрытыми прозрачной панелью с интегрированными оптическими линзами, соосными со светодиодами, вертикальные ребра, установленные в верхней части корпуса, щели, расположенные на передней торцевой стенке корпуса, отсек для блока питания и держатель облучателя с фиксатором положения, прикрепленные к верхней части корпуса (патент RU 136127, 27.12.2013). В данном облучателе светодиоды выполнены в виде двадцати пяти светодиодов пяти цветовых спектров - оранжевого, синего, белого, красного, сине-зеленого и установлены на печатной плате в виде вертикальных и горизонтальных рядов с образованием пяти окружностей и размещением в центре светодиода оранжевого спектра и последовательно от центра этих окружностей с оранжевым, синим, белым, красным и сине-зеленым спектрами.
Однако в известном светодиодном облучателе не указана мощность используемых светодиодов, мощность самого облучателя, его габаритные размеры, не предусмотрена возможность регулирования спектрального состава излучения.
Задачей предлагаемой полезной модели является возможность изучения воздействия отдельных спектральных составляющих потока излучения и их комбинаций на физиологическое развитие различных видов растений в разные фазы их роста.
Техническим результатом является возможность создания универсального многоспектрального светодиодного облучателя для растений с непрерывным спектром, предоставляющего возможность изучения воздействия отдельных спектральных составляющих потока излучения, а также их комбинаций, на физиологическое развитие различных видов растений в разные фазы их роста.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый лабораторный многоспектральный светодиодный облучатель для растений, содержащий корпус с отверстиями для вентиляции, светодиодные платы, светодиоды, блок питания, крепления, содержит две светодиодные платы на алюминиевом основании, вентиляторы для охлаждения светодиодных плат, кросс-плату, защитное стекло, блок управления для независимого управления отдельными цветовыми каналами, а также восемь типов светодиодов, установленных на светодиодной плате, со значениями пиковой длины волны, равными 400 нм : 430 нм : 465 нм : 525 нм : 590 нм : 630 нм : 660 нм : 740 нм, и соответствующим соотношением мощностей излучения, равным 5%:10%:10%:20%:10%:15%:25%:5%, при этом крепления представляют собой винты с отверстием в цилиндрической головке, а через отверстия протягиваются тросы, предназначенные для подвешивания прибора.
Для увеличения мощности лабораторный многоспектральный светодиодный облучатель для растений содержит игольчатые радиаторы, прикрепленные к светодиодным платам при помощи тонкой клейкой теплопроводящей пленки или теплопроводящего компаунда.
Так как в естественных условиях свет, которым облучаются растения, обладает непрерывным спектром, то и в лабораторных условиях необходимо, чтобы облучатель обеспечивал возможность создания непрерывного спектра излучения. Это достигается за счет взаимного перекрытия спектров излучения используемых светодиодов. Предлагается использовать светодиоды со следующими значениями пиковой длины волны: 400, 430, 465, 525, 590, 630, 660, 740 нм. Спектральные характеристики данных светодиодов приведены на фиг. 1. Так как для обеспечения процесса фотосинтеза требуется гораздо большее количество энергии, чем для регуляции, то спектральные диапазоны, соответствующие максимумам спектра действия фотосинтеза, должны быть изначально усилены. Предлагается следующее соотношение мощностей излучения: 400 нм : 430 нм : 465 нм : 525 нм : 590 нм : 630 нм : 660 нм : 740 нм = 5%:10%:10%:20%:10%:15%:25%:5%.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1, 2 и 3.
На фиг. 1 представлена конструкция лабораторного многоспектрального светодиодного облучателя для растений со встроенным блоком управления.
На фиг. 2 представлена общая схема лабораторного многоспектрального светодиодного облучателя для растений со встроенным блоком управления.
На фиг. 3 представлены спектральные характеристики использованных светодиодов.
Лабораторный многоспектральный светодиодный облучатель для растений содержит корпус 1 с отверстиями 2 для вентиляции, вентиляторы 3 в количестве или четыре, или шесть для охлаждения светодиодных плат 4 на алюминиевом основании, светодиоды 5, кросс-плату 6, блок управления 7, блок питания 8, защитное стекло 9, крепления 10.
Работает предлагаемый лабораторный многоспектральный светодиодный облучатель для растений следующим образом.
В качестве источника излучения используются восемь типов светодиодов 5 со значениями пиковой длины волны и соотношением мощностей излучения, равным: 400 нм : 430 нм : 465 нм : 525 нм : 590 нм : 630 нм : 660 нм : 740 нм = 5%:10%:10%:20%:10%:15%:25%:5%. В предлагаемом облучателе предполагается использование мощных светодиодов для поверхностного монтажа мощностью 1…3 Вт. Светодиоды располагаются на светодиодных платах 4 на алюминиевом основании толщиной 2 мм. Применение плат на алюминиевом основании вызвано необходимостью эффективного отведения тепла от корпуса светодиодов. Охлаждение нагретой светодиодной платы осуществляется с помощью вентиляторов 3, воздушный поток которых попадает на светодиодные платы и выходит из светильника через отверстия 2 в корпусе 1. Питание светодиодов обеспечивает блок питания 8, который располагается внутри корпуса. Блок управления 7 необходим для корректировки спектрального состава излучения и содержит устройства ввода и вывода информации для задания уровня излучения светодиодов отдельно для каждого спектра. Кросс-плата 6, выполненная из текстолита, необходима для разводки линий питания и сигналов управления и подачи их на светодиодные платы, так как светодиодные платы являются односторонними и возможность эффективного разведения дорожек на них сильно ограничена. Крепления 10 представляют собой винты с отверстием в цилиндрической головке, а через отверстия протягиваются тросы, предназначенные для подвешивания прибора.
Оптимальный угол излучения светодиодов составляет 80…90°.
Данная конструкция позволяет эффективно охлаждать светодиодные платы при мощности облучателя до 250 Вт. При необходимости увеличения мощности прибора до 300…350 Вт на светодиодные платы крепятся игольчатые радиаторы максимального размера при помощи тонкой клейкой теплопроводящей пленки или теплопроводящего компаунда.