Licht dáár waar het blad is

Een kale LED verlicht vooral de tafel. Met een lens komt het grootste deel van het licht op de plant terecht, voor 7 tot 15 procent verlies in de lens zelf. Daarom krijgt elke LED in BioLights een eigen, wisselbare lens.

We wilden het met eigen ogen zien. Onze DayLight-driverboard (één 5000K-LED van Würth Elektronik op een eigen driver) hing onder een plank, op ongeveer 50 cm boven het werkblad. Eerst fotografeerden we de lichtvlek zonder lens, daarna met vier lenstypes uit de LEILA-SC2-familie van LEDiL. Zelfde LED, zelfde stroom, vaste belichtingsinstellingen op de camera.

Wat de foto's laten zien

Zonder lens verdwijnt het licht in een brede kegel over werkblad, muur en kabels; met lens ligt er een duidelijke vlek, rond, breed of ovaal.

Alle foto's zijn genomen met vaste belichtingsinstellingen, zodat de helderheid onderling te vergelijken is. De schaduw van de plank op de muur dient als referentie.

• Zonder lens: geen vlek, maar een gelijkmatig verlicht werkblad en een lichte muur. De horticultuur-LED's van Würth stralen volgens hun datasheet (opent in een nieuw tabblad) in een kegel van 125°.
• Lens 1: een ronde vlek met een zachte rand.
• Lens 2: een bredere, vlakkere vlek.
• Lens 3: een kleinere, scherp begrensde vlek.
• Lens 4: een smalle, langgerekte strook, handig boven een rij planten of een bak.

De vier lenzen op de foto's komen uit de LEILA-SC2-familie, die acht optieken telt met dezelfde houdermaat, elk in een zwarte of witte houder. Welke vier het precies zijn, doet voor het principe niet ter zake; de tabel toont alle varianten als mogelijkheden.

Bundel en rendement komen uit de LEDiL-datasheets, gemeten met Cree-LED's van hetzelfde formaat; met onze Würth-LED's wijken ze iets af. De vlek is de cirkel waarbinnen het licht minstens half zo sterk is als in het midden, berekend als 2 × afstand × tan(½ bundelhoek). Er is ook een asymmetrische variant (O-90-WAS) voor wandverlichting.

Waarom richten: fotonen per vierkante meter

Hangt de lamp twee keer zo hoog, dan wordt de vlek vier keer zo groot en krijgt elk blad een kwart van het licht. Een lens draait dat terug: met ongeveer de halve bundelhoek houd je op dubbele hoogte dezelfde lichtsterkte op de plant.

Planten tellen geen lumen maar fotonen. De maat is PPFD: het aantal fotosynthetisch actieve fotonen dat per seconde op een vierkante meter blad valt, in µmol/m²/s. Over een hele dag opgeteld heet dat de DLI (daily light integral). Sla en andere bladgroenten groeien onder kunstlicht goed bij een PPFD van 150 tot 300 µmol/m²/s en een DLI van 12 tot 16 mol/m² per dag (bron (opent in een nieuw tabblad)).

DLI = PPFD × uren licht × 0,0036

Voorbeeld: 200 µmol/m²/s gedurende 16 uur geeft een DLI van 11,5 mol/m² per dag.

Onder een LED geldt in het midden van de vlek de kwadratenwet: de PPFD is de fotonenstroom van de LED (PPF, in µmol/s), maal de piekintensiteit per foton (k, per steradiaal), gedeeld door de afstand in het kwadraat.

PPFD(midden) ≈ PPF × k / d²

Voor een kale LED met een brede kegel is k ongeveer 1/π = 0,32 per steradiaal. Met een LEILA-SC2-M wordt dat volgens de LEDiL-datasheet (opent in een nieuw tabblad) 3 tot 5, ruim tien keer zoveel; de spotlenzen komen nog veel hoger.

Reken het na voor één hyper-red LED van Würth (PPF tot 6,34 µmol/s bij 700 mA (opent in een nieuw tabblad)) op 50 cm hoogte, ongeveer de afstand op de foto's:

• Zonder lens: ongeveer 8 µmol/m²/s in het midden, uitgesmeerd over bijna 2 meter.
• Met de M-lens: ongeveer 80 tot 120 µmol/m²/s, geconcentreerd in een vlek van zo'n 23 cm.

Twee of drie LED's met een lens brengen het midden van een plantenbak dus al in het bereik van sla. Zonder lens heb je daar een veelvoud aan LED's voor nodig. Dit is een rekenvoorbeeld voor één LED zonder reflectie van wanden; meten volgt (zie onder).

Kost een lens geen licht?

Ja, 7 tot 15 procent. Maar een kale LED boven één plant laat driekwart tot ruim negen tiende van zijn licht naast de plant vallen. Een foton dat op de tafel, de muur of de vloer belandt, draagt niets bij aan de groei.

De LEILA-SC2-lenzen laten volgens LEDiL 85 tot 93 procent van het licht door (de brede ovale OW-90 70 procent). Ter vergelijking: een gewone glazen afdekplaat op een groeilamp kost zelf al tot 8 procent, zonder het licht te richten (bron (opent in een nieuw tabblad)).

Hoeveel licht van een kale LED op de plant valt, volgt uit de geometrie. Een LED met een brede kegel straalt ongeveer als een lambertiaanse bron. Het deel van zijn fotonen dat binnen een cirkel met diameter D op hoogte h valt, is dan sin²(arctan(D / 2h)).

Met de juiste lens valt vrijwel de hele bundel, tot de rand waar nog 10 procent van de piek over is, binnen de pot of bak. Netto komt dan het grootste deel van de 85 tot 93 procent die de lens doorlaat op het blad, tegen 8 tot 26 procent zonder lens.

In een volle kas of een kweektent met reflecterende wanden ligt dat genuanceerder: licht naast de ene plant valt dan op de volgende of kaatst terug. Thuis, met een paar planten op een vensterbank of plank, gaat het licht naast de plant vrijwel helemaal verloren.

Waarom BioLights per LED een lens heeft

BioLights richt het licht op het blad in plaats van op de kamer. Daarom heeft elke LED een eigen driver en een eigen, wisselbare LEILA-SC2-lens, in plaats van één brede lamp.

Je kiest de bundel bij je situatie:

• Laag boven één pot: een middelbrede lens (M).
• Hoog boven een kleine pot: een spot (D of RS).
• Boven een rij kruiden of een langwerpige bak: de ovale O-90.
• Boven een bredere bak: W of WW.

Verhang je de lamp of groeit de plant, dan wissel je de lens in plaats van de lamp. Dat is de schakelgedachte achter Ketten: elk onderdeel is los te verbeteren.

Volgende stap: meten en bijregelen

We gaan de PPFD meten met een multispectrale sensor van ams OSRAM (opent in een nieuw tabblad), aangesloten op de elektronica die de LED's aanstuurt. Na kalibratie tegen een referentie-PAR-meter kan BioLights de lichtsterkte dan ook zelf bijregelen tot de gewenste waarde. Zelf je RP2040 configureren kan al op biolights.nl (opent in een nieuw tabblad).

Meer achtergrond: Planten tellen fotonen, geen watt of lux en Licht meten zonder labbudget.

Bronnen

• LEDiL-datasheets LEILA-SC2: RS (opent in een nieuw tabblad), D (opent in een nieuw tabblad), M (opent in een nieuw tabblad), W (opent in een nieuw tabblad), WW (opent in een nieuw tabblad), O-90 (opent in een nieuw tabblad), OW-90 (opent in een nieuw tabblad)
• Würth Elektronik WL-SMDC Horticulture (opent in een nieuw tabblad): bundelhoek 125°, PPF tot 6,34 µmol/s bij 700 mA
• Optimale DLI voor ijsbergsla in een verticaal hydrocultuursysteem (Scientific Reports, 2023) (opent in een nieuw tabblad): DLI 12–16 mol/m²/dag, PPFD 150–300 µmol/m²/s
• From physics to fixtures to food (Kusuma, Pattison en Bugbee, 2020) (opent in een nieuw tabblad): fotonen moeten het blad raken; een glazen afdekplaat laat tot 92 % door
• ams OSRAM AS7343 (opent in een nieuw tabblad): multispectrale sensor met 14 kanalen, onder meer voor tuinbouwverlichting