Couverture ElectroniqueS n°127

Grâce à des capteurs spectraux, les systèmes d'éclairage horticoles peuvent être rendus plus efficaces et plus stables sur une longue durée. Ils ouvrent de nouvelles possibilités telles que l'équilibrage automatique du profil lumineux et la surveillance de la croissance, économisant des coûts d'énergie et optimisant les rendements de culture et la qualité. A près un premier déferlement dans les habitations et les bâtiments commerciaux, les Led pénètrent désormais d'autres segments de marché grâce au développement de nouveaux types de diodes. L'un d'eux concerne les serres et les cultures verticales, qui ont traditionnellement utilisé des lampes HPS (High Pressure Sodium) comme source artificielle de lumière. Mais de nouvelles générations de Led sont apparues, avec des caractéristiques spectrales plus précises et plus riches, des Led plus efficaces et bien moins coûteuses que les générations antérieures. Les Led les plus récentes surpassent les lampes HPS en horticulture : moins gourmandes en énergie, elles dissipent peu de chaleur et ont une longue durée de vie. Ces caractéristiques leur ouvrent de nouvelles opportunités dans le marché de l'horticulture. MARKUS BUß ET JEAN-FRANÇOIS DURIX (ams) Markus Buß est responsable marketing pour les capteurs de couleurs chez ams depuis le rachat de MAZeT par le fabricant autrichien. Également responsable marketing chez ams, Jean-François Durix est, lui, passé par Gemplus, NXP et Identive. Avec elles, les producteurs peuvent rapprocher les éclairages des plantes, contrôler leur intensité et leur émissivité spectrale pour optimiser la croissance des végétaux. Avec deux bénéfices : augmenter la densité des plantations dans les serres par un empilage resserré, technique connue sous le nom d'agriculture verticale. Et, aussi, pouvoir optimiser le cycle de croissance, et par voie de conséquence le taux d'occupation des serres. Voila pourquoi les Led deviennent la source de lumière préférentielle pour les équipements d'éclairage horticole. Les Led ont cependant quelques limitations nécessitant une gestion précise pour garantir une illumination stable et une croissance optimale des plantes. Le recours à une architecture à capteurs avec rebouclage permet d'adresser ces limitations. L'intérêt des lampes de croissance Sur Terre, beaucoup de plantes ne poussent que dans des régions spécifiques, et à des saisons particulières de l'année. Ce phénomène est lié en partie à leurs besoins en température et en humidité. Un autre facteur important réside dans la source de lumière à laquelle elles sont exposées, qui a un effet direct sur la photosynthèse et donc sur la capacité de la plante à générer l'énergie nécessaire à sa croissance. Des chercheurs ont par exemple déterminé que l'intensité de rayonnement d'une lumière de longueur d'onde 680 nm est critique pour la vitesse de croissance des plants de tomates pendant la phase de germination, mais a peu d'effet par la suite. Pendant la phase végétative, un rayonnement de 650 nm optimise la croissance et la concentration du pigment de chlorophylle-a. Ces recherches concluent que chaque phase de la période de croissance – germination, végétation et mûrissement – demande une irradiation à une longueur d'onde différente. La culture des tomates tout au long de l'année dans l'hémisphère nord nécessite des serres pour protéger les plantes des rigueurs du climat hivernal, équipées de systèmes d'éclairage pour compenser le manque de lumière naturelle en hiver et dotées des caractéristiques spectrales optimales pour la croissance. Si le système d'éclairage peut également répliquer la variation journalière du spectre solaire et s'aligner sur le rythme circadien des plantes, l'optimisation apportée par l'éclairage artificiel sera complète. Tout comme les tomates, d'autres plantes ont besoin d'un profil spectral d'éclairage spécifique pour pousser et amorcer la photosynthèse. Ce profil couvre à la fois la plage de longueurs d'onde et le rythme circadien. Le spectre Document : ES_97_KNOWLES.pdf;Page : 1; de lumière utilisé en horticulture est principalement situé dans le visible : longueurs d'onde de 400 à 700 nm, avec des pics dans le rouge et dans le bleu. Toutefois, chaque plante a besoin du spectre complet pour rmat : (187.00 x 132.00 mm);Plaque : c une croissance optimale. Le rythme circadien dépend des conditions d'éclairement dans la région d'origine de la plante. En raison des variations entre les plantes, y compris entre plantes de même type, la qualité de l'éclairage peut avoir un impact important sur la productivité, la croissance et le développement de plantes spécifiques. La gestion de l'intensité du spectre et du rythme circadien de la source de lumière aide à assurer les conditions optimales de lumière pour la croissance. Température et vieillissement des Led La figure 1 montre comment l'émissivité spectrale d'une source de lumière mixte constituée de Led rouges, vertes et bleues change avec la température. L'axe horizontal représente la longueur d'onde, l'axe vertical la luminosité relative. Les courbes montrent clai-poite;Date : 24. Sep 2018 - 14: 43: 30 rement que l'émissivité d'une Led rouge est plus affectée par les changements de température qu'une Led bleue : sa luminosité décroît d'au moins 40 % en passant de 5 °C à 70 °C. Cette variation modifie la couleur de la lumière issue des lampes – un effet gênant pour les fabricants de systèmes d'éclairage horticoles, qui doivent respecter des intensités précises à des longueurs d'onde spécifiées. Alors que les caractéristiques du luminaire peuvent être très proches de la courbe du corps noir idéal ou courbe de Planck à température ambiante, son émissivité diverge sensiblement de l'objectif lorsque la température varie. Pour l'optimisation de la croissance des plantes, ce n'est pas tant la couleur de la lumière perçue par l'œil humain qui est importante, mais plutôt le profil spectral réellement généré. Et donc le contrôle de l'émissivité spectrale d'un luminaire en fonction de la température passe par la connaissance du profil spectral de la lumière émise. La durée de vie d'une Led est généralement définie comme le temps qu'il faut pour que sa luminosité baisse à 70 % de sa valeur initiale. La figure 2 illustre la variation des caractéristiques de luminosité d'une LED RGB haute puissance au cours de ses 10.000 premières heures de fonctionnement. Ces caractéristiques varient d'un fabricant à l'autre. Typiquement, la perte de luminosité au cours des 5 000 premières heures se situe entre 5 et 15 %. Il est intéressant de noter que la baisse de luminosité n'est pas la même pour les trois couleurs, plus importante pour le bleu que pour le vert et le rouge. Si elle n'est pas compensée, cette chute de luminosité avec le temps demandera un remplacement périodique des Led, une tâche de maintenance délicate et coûteuse qui augmente le prix du système d'éclairage. Système optique à rétroaction Le fonctionnement correct des systèmes d'éclairage horticoles requiert donc un ajustement de la sortie en fonction du temps et de la température pour maintenir l'intensité et la chromaticité voulues. Une technique pour atteindre cet objectif est de stabiliser le courant et la tension des Led. Une autre consiste à mesurer la température des Led et à renvoyer ces valeurs au driver de Led pour réaliser une boucle de contrôle fonction de la température. Ces solutions effectuent une régularisation indirecte et reposent sur des modèles de vieillissement prédictifs du matériau phosphoré des Led. Elles nécessitent également un tri précis des Led utilisées pour la production des luminaires. Bien supérieure est la méthode de régulation en boucle fermée décrite ci-dessous. Comme le montre la figure 3, cette solution diffère des techniques de contrôle précé-dentes par le fait qu'elle utilise un capteur spectral qui mesure en permanence le profil spectral réel de la lumière, et contrôle directement le driver de Led ou le contrôleur pour ajuster la sortie afin qu'elle corresponde aux valeurs spécifiées de chromaticité et d'intensité. La figure 3 représente un système Led mixte. Le principe convient à toute source de lumière Led, par exemple RGB + blanc, RGB + blanc + ambre ou lampes de croissance à quatre Led spectrales ou plus. La détection de lumière pour le capteur peut être réalisée de différentes manières. L'une consiste à loger dans le luminaire un guide de lumière qui collecte la lumière de plusieurs Led et dirige le résultat vers le capteur. Une autre est de concevoir une unité de détection spectrale placée hors du luminaire, directement au niveau des plantes, dotée d'une interface de communication vers le driver de Led. Dans ce cas l'unité capteur peut aussi détecter et réagir à la lumière naturelle. Recours à des circuits d'analyse spectrale L'architecture de contrôle à rebouclage décrite ci-dessus nécessite un petit capteur capable de mesurer avec une grande résolution le profil spectral de la lumière émise par les multiples Led d'un luminaire. Un produit conçu par ams possède les capacités requises. Le chipset AS7265x est constitué de trois composants capteurs six canaux à haute intégration, chacun ne mesurant que 4,5 mm x 4,4 mm x 2,5 mm et encapsulé dans un boîtier LGA percé d'une ouverture pour le contrôle de la lumière entrante. Chaque composant intègre des filtres de Gauss sur silicium standard Cmos via une technologie de filtre d'interférence nano-optique à dépo-sition. Grâce à une architecture maître-esclave, les trois capteurs sont vus par le processeur hôte comme un composant logique unique, simplifiant la conception système et raccourcissant la durée de développement. L'intelligence intégrée aux AS7265x convertit les mesures brutes de lumière en sortie numérique calibrée, et gère l'interface avec le processeur hôte via une liaison I 2 C ou UART. Les 18 canaux du chipset AS7265x couvrent des longueurs d'onde dans le spectre visible et proche infrarouge par intervalle de 20 nm, centrés sur 410 nm, 435 nm, 460 nm, 485 nm, 510 nm, 535 nm, 560 nm, 585 nm, 610 nm, 645 nm, 680 nm, 705 nm, 730 nm, 760 nm, 810 nm, 860 nm, 900 nm et 940 nm. La caractéristique de filtrage des AS7265x couvre parfaitement ment : ES_97_ELECTROLUBE.pdf;Page : 1 la plage de longueur d'onde requise pour une croissance optimisée, un profil spec-tral connu sous le nom de courbe de McCree. Les filtres d'interférence des AS7265x présentent des caractéristiques très précises et reproductibles, stables dans le temps et en température. Elles permettent de produire des capteurs spectraux bien plus petits et plus économiques que les solutions traditionnelles utilisées dans les instruments d'analyse spectrale multi-canaux. Le chipset AS72651/652/653 est calibré en usine, et délivre un comptage normalisé de 35 unités/µW/cm 2 sur tout le spectre détecté, simplifiant les algorithmes de développement. Combiné à la haute stabilité des filtres en temps et en température, il autorise des designs « calibrés à vie » avec à la fois moins de composants et un plus faible coût, et ouvre de nouveaux espaces d'application, tels que l'éclairage horticole. La petite taille du chipset AS7265x combinée à sa faible consommation permet aux fabricants d'appareils d'éclairage de développer de nouveaux systèmes pour l'horticulture bénéficiant de ces qualités exclusives. Le système est capable de surveiller le profil d'émission spectrale et la luminosité des ormat : (199.82 x 144.82 mm);Plaque systèmes d'irradiation des plantes dans le luminaire ou au niveau des plantes. Grâce aux caractéristiques de leur filtrage spectral, les capteurs comme les AS7265x sont capables de surveiller des paramètres tels que le RPA (rayonnement pho-tosynthétiquement actif) entre ~400 nm et ~700 nm, qui est la plage de fréquence lumineuse dans laquelle les plantes réalisent la photosynthèse. Les données spectrales des capteurs peuvent aussi être utilisées pour mesurer le rendement à la prise, rapport entre la puissance optique de sortie des Led et la puissance électrique consommée. Les tests initiaux menés en usine confirment que la précision du AS7265x peut être proche de celle de spectromètres de laboratoire moyennant une bonne calibration du système d'éclairage. En plus de gérer les effets de vieillissement et les dérives de température dans les Led spectrales, les capteurs AS7265x permettent la détection des influences de la lumière du jour. Cette information peut être utilisée pour diminuer l'intensité des longueurs d'onde émises par les Led spectrales qui sont déjà présentes dans la lumière du jour. Ceci permet des économies supplémentaires d'énergie et de coût, tout en maintenant une illumination optimale pour les plantes. n omposite;Date : 10. Oct 2018 - 12: 05

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