半导体结型整流器的性能分析和发展为室内农场应用多色编码

文摘

本文旨在构建一个智能照明系统与远程控制电源等应用和优化热管理半导体二极管的金属体和农业的印刷电路板。多种颜色的半导体二极管条排列和配置作为一个LED灯与适当的套管和散热器。它有一个驱动电路使用所需的功率调节,能够控制光的强度进行光合作用和植物生长的要求。系统使用水培种植水,从而减少化肥的使用。整个系统是远程控制使用必要的通信接口的应用程序。

1。介绍

最重要的可变因素是光对植物生长和发展。的灯温室植物生长研究应用的优势。使用生长灯的目的不同,包括增加光水平对植物光合作用或改变光周期(1]。光周期被定义为光植物感知的时期。不同的照明源,种植者可以使用包括(INC)白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高强度放电(HID)灯。发光二极管(led)是第四代照明源和园艺的新兴技术。

导线、表面贴装和大功率led三个主要结构类型。led固态半导体和开启或关闭时,行动是即时,约70%从最初的安装可以运行50000小时。没有必要替换单个二极管或灯不断因为led不烧坏。因素,如设计、材料、和热释放影响寿命。对于消费的能源,led更有效和使用更少的能源比其他传统温室灯(2]。此外,运营成本和碳排放降低当使用发光二极管。

2。相关的工作

作者在1)设计了一种新的数字控制策略,提出了bridgeless单级multioutput AC / DC转换器之前提出作为一个半导体二极管光生长。该控制系统能调节输出电流流经每个二极管字符串,执行在交流侧功率因数校正,并提供问世至今所有电力半导体开关特性和新方法减少传导损失与变压器绕组和电力半导体通过自适应地改变直流总线电压;因此,新控制系统可以导致更好的瞬态响应。

发光二极管和植物生长之间的关系对一个小水培植物中描述(3]。全球人口增长和气候危机对稳定粮食供应构成巨大风险。因此,有必要开发一个小型水培植物栽培系统,以确保即使在极端情况下的营养供应。建立一个可持续发展的系统,他们利用LED照明系统与守恒的阳光所产生的能量。这样的水培植物栽培系统必须运行在一个负担得起的有效原则。

作者在4)指定如何使用物联网智能花园系统(物联网)和构建。物联网(物联网)由设备连接到互联网和相互通信。它使这些设备收集和与消费者交换数据。介绍一个IoT-based智能花园与气象站系统,可用于监测植物的生长每天和预测下雨的概率。很多人感兴趣的是种植植物总是忘记浇花。因此,在这项研究中,该设备配备一个水泵,它可以监视和控制通过使用智能手机。此外,该设备还包括四个主要传感器、气压传感器、DHT11的温度和湿度传感器、土壤水分传感器,光强传感器模块。土壤和光照强度传感器是用来测量值百分比。除此之外,两个致动器,水泵和LED灯,可以使用远程或使用设备上的一个按钮。LED是特意用来复制阳光,让植物长得更快。 This IoT-based Smart Garden with Weather Station System can record the data and send the result to the user through the smartphone application named “Blynk apps.” This research is beneficial, and the system can be easily managed by all users such as researchers, farmers, and children.

光线补充可以增加作物产量的方式促进光合作用和植物生长在温室已经被作者在解释5]。然而,与光补充相关的高能源成本,限制发展和利润的一个重要因素,提高可控环境农业。

在[6),作者研究了有效的植物生长灯使用的一种方式。光类型包括领导、长光和自然光。调查时期发芽和成长。植物苗圃1.2×1.2×1.5米尺寸的使用。的结构是由PVC管。它是由黑色的帆布。系统由单片机控制。DHT22传感器模块检测到的温度和湿度。植物苗圃是分成两个房间灯和成长的测试。散热垫和饮水机是用于冷却系统。 A fan was installed for flowing air. The plant was watered automatically. From the experimental results, it was observed that the plant under LED light had the fastest rate of germination.

在[7),当前农业及其发展解释说,与可持续的粮食生产和安全在世界人口肥胖,并且被认为是具有挑战性的问题。适应不同的技术被用来使农业实践和构建弹性对不规则小气候的变化。交替水培技术等农业技术和集成的智能人工光和物联网系统被认为是很有前途的解决上述问题。

作者在8]讨论了如何开发一个智能LED照明系统(8),由Android应用程序远程控制通过手持设备,如智能手机、平板电脑,等等。能源使用的状态反映在读数显示在手持设备,它被当作一个标准照明模式设计的一个系统。无线数据通信设计操作符合无线个域网标准,对感知数据和信号处理是通过一个自适应加权数据融合算法。低的变化数据融合与高稳定性实验表明在这项工作。

在[9),作者描述了发光二极管(led)照明系统有巨大的潜力作为补充或独家运营的作物生产上和地球。体积小、耐久性long-operating一生,波长特异性,相对凉爽的发光表面,和线性光子与电子输入电流输出使这些固态光源的理想用于工厂照明设计。

3所示。设计的led:制造过程

3.1。框架为死债券预塑化

开始,这一切开始的早期养护领导框架(1在烤箱1对1小时150度。这是因为金属变得柔软,容易做到死债券。

3.2。扩大晶体

现在,导致晶体被;起初,他们都把彼此非常接近,所以压缩机是用于扩大它们之间的空间。之前,应该暴露导致晶体偏振空气几秒钟。

3.3。芯片焊接

芯片焊接是半导体的制造过程中使用的包装,如图1。附加的过程是死(或芯片)衬底或包环氧或焊接,也称为死位置或附加死去。这个过程开始于选择一个死于薄片或华夫格包,然后将其放置在一个特定的位置在衬底上。模具被存入一个之前分发环氧或放入焊料。

模具粘合材料的性能和可靠性起着关键作用,中期,和超级大功率led。(10)的选择合适的模具粘合材料为特定的芯片结构和应用取决于几个因素。这些包括包装过程(吞吐量和产量);性能(热耗散和光输出);可靠性(流明维护);和成本。共晶gold-tin,填银环氧树脂、焊料、硅胶和烧结材料都是用于模具粘合。使用一个特定的技术平台往往导致不同属性之间的权衡。中期超级大功率led在增加电流和功率水平(照明和移动灰应用程序等)。这一趋势带来了最前沿的需要健壮的热耗散。如果不妥善处理(热11),LED性能可以显著降低,导致辐射通量损失,增加正向电压,波长偏移,因此,减少了一生。数据1和2显示芯片焊接机和芯片焊接机理,分别。

3.4。Die-Bonded框架固化

帧执行芯片焊接后,再次放入烤箱2在175度2小时。因此,领导就好解决,成为刚性。

3.5。线焊接

线键(9,12,13)创建的过程之间的电气连接半导体集成电路(或其他)14]和硅片使用焊接线,细线制成的材料,如金和铝。示例图如图3。

铝楔焊相比,黄金球键明显由于没有方向的速度,导致其广泛使用在塑料包装15]。然而,金丝球焊铝债券垫不能用于密封包由于高温密封用于这样的包,因为这些温度大大加快黄金形成金属间化合物,从而导致早期生活的失败。相反,黄金球结合债券垫可以利用密封包。图4显示线结合的过程。

Gold-aluminum球焊要求使用的热量,使焊接过程(16]。铝债券垫之间的良好结合,黄金球债券在不损坏电线,债券垫或硅衬底通过单纯超声方法是不可能由于铝债券比黄金球焊垫。铝债券垫软化运用热能,鼓励铝和金原子互相扩散,形成gold-aluminum债券(17]。热能的应用程序也提高了粘结法通过消除表面的有机污染物债券垫。最近的过渡线焊接行业的偏好使用的铜/金线键合过程中,的原因是黄金的成本正在上升。尽管有人担心铜不可靠由于其硬度和容易腐蚀,铜线可以用于小直径,使它更划算。

3.6。线焊固化

帧引线结合过程完成后,再次放入烤箱1预塑化了半个小时前他们去分发器。这反过来落定wire-soldered材料保持在其位置(18]。

3.7。行星混合

行星搅拌机(19)工业非接触所有液体搅拌机,贴,粉末、填充剂和液体或液体/固体的任意组合。这包括工程化合物、药物或化妆品配方,纳米颗粒分散体。他们混合、分散和德加你的材料在秒到几分钟,在密封或lid-less容器如一个jar,烧杯,注射器管、盒20.]。非接触混合原理可以制定或结合化合物等少量0.5毫升大规模生产。通过旋转和革命的材料在一个容器,材料混合和脱气。400克的材料放在一个加速度,甚至非常高粘度材料的混合和真空脱气同时[21]。

图5显示了两个板的原则行动完全混合的建模粘土在几分钟。说明各阶段的混合操作材料的行星力量。低粘度材料可以混合快得多。各种粉末或填料可以混合成液体或贴在同样的方式。

3.8。自动售货机

点胶机(19,22)用于高粘性液体粘贴材料适用于LED灯泡以及其他应用程序。这些分配器份量适度,提供准确的产品配置为预设值,常用的数量,或由公司指定的数量。过程的选择是由使用前面板上的按钮使用我们独特的,先进的控制技术。分发器使用一个手动按钮开关或周期启动开关提供产品所需的数量。分发器由一个注射器一般设备,到导致分泌所需数量的部分给所需的波长或颜色(23]。分发器的特性包括干净的分发,快速切断避免混乱的泄漏,精度和效率高,提高了生产率,连续和校准控制人机界面显示,手动和自动控制机器,标准高压安全阀和校准仪表,设计与人体工程学和美学考虑,降低劳动力成本,使用简单,容易清洗。

不同颜色的发光二极管可以通过使用不同的半导体:(我)红色:波长625 - 760纳米(AlGaAs)(2)橙色:波长600 - 625纳米(GaAsP)(3)黄色:波长577 - 600纳米(AlGaInP)(iv)格林:波长492 - 577纳米(甘)(v)蓝色:波长455 - 492纳米(奈米)(vi)紫罗兰:波长390 - 455纳米(InGaN)

3.9。分发器框架固化

自动售货机完成后分发到所需的部分所有的发光二极管,发光二极管放置在烤箱3 1小时100°C,然后在烤箱4 4小时在150°C (24]。

3.10。架试验机

帧测试仪是一个装置,将测试框架和电力流动检查是否每个领导是发光的。它将两个金属棍子终端的领导,给打开所需的电压(25]。

3.11。单切

这个设备将led的框架。

3.12。本分类

设备,如图6将单独的所有led根据其波长和温度。光谱仪存在入口处,每个领导都会经过它,和它将检测波长LED和将在各自本;它的温度是相同的。如果一个领导不工作,它将被放置在一个单独的垃圾箱。

3.13。领导预塑化包装

这里,LED将加热在包装之前最后一次。

3.14。包装和摇摇欲坠

这里,发光二极管放置在机器,测试它们,把它们放到一个套管,自动将步履蹒跚。机器会自动降低led的链当他们到达卷筒限制(26]。

3.15。包装

卷放在封面,然后使用一个真空,空气吸出和密封。

4所示。领导生长灯

LED光生长是一个电光源,这有助于植物生长(1- - - - - -5]。生长灯要么试图提供一个太阳的光谱相似或频谱更适合植物被种植的需要。户外条件模拟不同颜色、温度和光谱输出光生长,以及不同的灯的强度。根据所种植植物的类型,培养的阶段,和植物所需的光周期的具体范围光谱,发光效果,色温为一些特定的植物被认为是理想的参数。

节能领导生长灯光照明的未来农业(6]。他们在使用不仅是经济,但产生更好的植物,与所有传统照明的选择。

led比白炽灯在许多方面,特别是在能源效率。根据能源之星,led可以节约能源90%的速度比白炽灯泡。LED照明的工作方式是当光源,它是方向。这意味着一定方向的LED灯的目的是提供照明。但在一个紧凑型荧光灯或节能灯和白炽灯,光在四面八方,减少不必要的能源效率由于色散的光。led不仅对环境做出聪明的选择,但是对于我们的钱包。大多数LED灯将持续大约50000小时。

4.1。领导生长灯

这些并不仅仅是LED灯。我们也可以选择你的植物生长与高强度放电灯或hid灯,荧光灯,白炽灯生长灯。无论我们选择,生长灯光产生适量的光,所以植物光合作用[27]。这意味着给植物能量的转换。大多数生长灯电,都是人为的。工厂老板将使用植物生长灯如果需要额外的光源除了太阳或者植物不能为任何理由获得太阳。例如,也许我们种植植物在一个隔间,生长灯,虽然人工,尝试模拟太阳尽可能自然。在这样做,我们通常具有不同的光谱可用于生长灯。除了颜色谱,还可以控制色温,发光效果与生长灯。

5。水培法

水培法是在室内种植植物的方法不使用任何土壤(3- - - - - -5,7]。而不是从地面获取矿物生长所需的营养物质,植物获得他们所有的营养通过营养液供给根部。水培法适用于各种场景从种植药草的小集合在厨房里一直到许多植物在一个大规模的商业操作。有限或没有室外空间,如城市居民,公寓居民,或租房者不能有室外花园,发现水培生长(尤其有用28- - - - - -33]。

水培法的优点如下(8,9,34:首先,它需要较小空间的土壤中生长的植物,和根没有分散搜索养分和水分在水培法水,和营养直接交付给根,间歇性或不断。其次,它节约大量的水相比,土壤种植植物。第三,它需要更少的劳动,因为它不需要耕作,除草、除草剂和杀虫剂的应用程序中,当用户仅仅是要求一定要换水。第四,它不需要人工肥料,植物更自然和有机和高质量。最后,选择这项技术的原因是客户使用这个设备可以培养他/她自己的植物或蔬菜任何他们想要的,也很容易控制它,因为它配备了wi - fi和自己的应用程序使用简单的设置。它生长的植物具有最高质量的前提下的最佳形式有机的,天然,营养状态[35]。

5.1。波长的选择

led选择450海里,660 nm、730 nm和3000有条件现金转移支付(9]。的光量会影响植物的光合作用过程。这个过程是一个在植物细胞的叶绿体光化学反应,CO的转化成碳水化合物的影响下的光能量。不同波长的光谱组成区域(蓝色、绿色、黄色、红色,红色,或看不见的,如紫外线或红外线)是重要的增长,形状,发展,开花植物的(光形态发生)。图7显示了不同波长的光照。表1显示不同的波长,营养生长,其效果。

5.2。身体的设计

设计的主体由2植物持有者,容器组件与分区,盖子关闭容器和管和支持领导概要文件。(我)集装箱的尺寸是35×20×10厘米(l×b×h)(2)植物容器的尺寸是30×17×10厘米(l×b×h)(3)持有人的尺寸是5×7厘米(r×h)(iv)领导形象的尺寸是30.5×5×3.5厘米(l×b×h)(v)管的尺寸是2×35厘米(r×h)

身体是铝的材料,将掌握的主体设备。

5.3。组件选择:节点单片机

节点单片机是一个开源Lua-based固件和发展委员会(35)专门针对IoT-based应用程序。它包括固件ESP8266 wi - fi SoC的快车,如果它是基于ESP-12模块。数据8和9分别代表司机和汽车的图片。(我)单片机:Tensilica 32位RISC CPU Xtensa LX106(2)工作电压:3.3 V(3)输入电压:7 - 12 V(iv)数字I / O引脚(戴奥):16(v)模拟输入插脚(ADC): 1(vi)uart: 1(七)spi: 1(八)i2c: 1(第九)闪存:4 MB(x)存储器:64 KB(十一)时钟速度:80 MHz(十二)基于CP2102 USB-TTL包括机载、支持即插即用(十三)PCB天线(十四)小型模块适合潇洒地在你的物联网项目

5.4。电路设计

LED正连接到电源是正的。LED MOSFET1 -连接到下水道。MOSFET1门连接到单片机,源连接到微控制器的电源负和地面。电机正连接到电源是正的。的运动-连接到下水道MOSFET2 [33]。MOSFET2门连接到单片机,源连接到微控制器的电源负和地面。230/12 V适配器正面线连接到一个终端销PCB。12 V销连接到3独立钉在黑板上。3针连接到正面线;其中一个是连接到10的正极μF依次连接的电容器LM7805 MOSFET的输入插口。图10显示了MOSFET的电路设计[34]。

LM7805 MOSFET的输出引线连接到的积极销1μF电容器。10的负微法拉和1微法拉电容,LM7805 MOSFET的地面,通常连接到节点获得单片机5 V的积极销1μF电容器。这是连接到单片机上的Vin销节点功率。另一针连接到12 V正面线;LED条积极电线连接,和其他销连接到电动机积极的线。总共4使用发光二级管;所有积极的电线连接在一起,给予12 V的电压;它是相同的电机,电机是12 V和1500 rpm。现在,发光二级管的底片和电机连接到每个2 n7000 MOSFET漏针,和门连接到每个节点单片机PWM销;别针是D1, D2、D3、D4。总体框图如图11。(我)2 n7000 MOSFET的来源一般都是单片机连接到地面上的节点

5.5。领导带设计

4领导带设计使用。在这个项目中使用的led如下:(1)6 - 450纳米发光二极管(蓝色),10厘米(2)6 - 660纳米发光二极管(深红色),10厘米(3)6 - 730纳米发光二极管(红色),10厘米(4)6 - 3000有条件现金援助led灯(暖白色),10厘米

图12的画面显示领导的地带。发光二极管放置在3 s, 2 p,也就是说,2套3发光二极管串联,两组并联连接。领导带5厘米,由3发光二极管,和每个领导3 V / 150米。他们被放置在系列。在系列中,电压增加,电流保持不变;因此,领导地带是9 V / 150 mA。每个波长有2个发光二级管,6 LED灯,这是2条平行。同时,当前添加和电压保持不变;因此,每个波长领导带是9 V / 300 mA。给定的输入电压是12 V,所需电压9 V,电阻是用来产生电压降。 Voltage drop is 12–9 = 3 V. Current = 300 mA. Resistance = V/我马= 3 V / 300 = 10欧姆。因此,使用10-ohm电阻器。

红色的领导,规范2 V / 150 mA。因此,每条3发光二极管是6 V / 150 mA。红色的波长带由6 2条平行的发光二极管,所以规范6 V / 300 mA。输入电压12 V,所需电压6 V。电压降主队= = 6 V。当前= 300 mA。阻力=V/我= 6 V / 300 mA = 20欧姆,流过20欧电阻,因此使用。

配置文件是铝制的,其尺寸是300×50×35毫米。所有这些条连接到这个概要文件,这是配备一个散热器的设计。第一条是使用热糊粘在概要文件,然后对他们完蛋了。

5.6。外的身体

身体的三维模型图所示13- - - - - -15。设备的外体由4部分组成。使用的材料是2毫米铝金属板。(1)植物支架部分,(2)电子元件支架部分,(3)领导的形象,和(4)的鹅颈管。

5.6.1。部分植物持有人

植物持有人部分由3植物持有者直径5厘米。尺寸是300×100×100毫米。

5.6.2。电子元件支架部分

它的尺寸是300×50×100毫米。在这里,单独放置电路板和电机。正视图、侧视图和身体的后视图中表示数据13- - - - - -15,分别。数据16和17代表植物持有人的部分。

图18描述了电子元件部分,和图19显示了整个的电子设置部分。

5.6.3。领导的概要文件

领导的概要文件包括散热器顶部。它也有led坚持用热糊和螺丝,如图20.。它的尺寸是300×50×35毫米。

5.6.4。鹅颈管

这是一个450毫米长灵活的金属管道直径14毫米。它将连接设备的配置文件导致下半身。图21显示了鹅颈管模型。

5.7。印刷电路板

它的尺寸是60×40×2毫米。它由各自的组件:LM7805, 0.1 - 1μF电容器,1 - 10μF电容器、4-2N7000 MOSFET和1个节点单片机(ESP8266)。LM7805和2电容使12 V 5 V转换器,它是在图表示22。

数据23和24分别代表了电路原理图和PCB图。230/12 V适配器正面线连接到一个终端销PCB。12 V销连接到3独立钉在黑板上。3针连接到正面线;其中一个是连接到10的正极μF依次连接的电容器LM7805 MOSFET的输入插口。LM7805 MOSFET的输出引线连接到的积极销1μF电容器。消极的线连接到负极的10μF电容器,LM7805 MOSFET的地面,而负的1μF电容器一般都是单片机连接到地面上的节点。

获得5 V输出的积极销1μF电容器。这是连接到单片机上的Vin销节点功率。另一针连接到12 V正面线;LED条积极电线连接,和其他销连接到电动机积极的线。

总共4使用发光二级管;所有积极的电线连接在一起,给予12 V的电压;它是相同的电机,电机是12 V和1500 rpm。现在,发光二级管的底片和电机连接到每个2 n7000 MOSFET漏针。2 n7000 MOSFET门连接到每个节点单片机PWM销;别针是D1, D2、D3、D4。2 n7000 MOSFET的来源一般都是单片机连接到地面上的节点。

6。结果

这项工作的目的是找出一个解决室内植物生长使用LED灯和水培法。发光二极管是一种高效的替代阳光,和水培法很好替代种植植物没有土壤。led用于生长灯光的原因如下。10 W的LED灯泡生产约1000到1250流明,和相同数量的流明白炽灯泡产生的,我们需要一个120 W灯泡。现在,一个LED灯泡的寿命为25000小时,白炽灯泡的寿命是1200小时。领导生活= 25000小时和白炽的生活= 1200小时,即,25000的4.8%是1200。

因此,LED灯泡更有效比白炽灯泡寿命95.2%。10 W的LED灯泡的成本大约是550卢比。120 W白炽灯泡的成本大约是250卢比。领导的成本比白炽灯泡高出45%。每年的能耗是1 10 W的LED灯泡,当它在一天24小时千瓦时。

LED灯泡:(我)1×10 W = 10 W灯泡或0.01千瓦(2)一年365天每天24小时×= 8670小时(3)0.01千瓦×8760小时= 87.6千瓦时(iv)所以,在一年87.6千瓦时。

白炽灯泡:(我)7个灯泡需要连续运行1年(2)7灯泡×120 W = 840 W或0.84千瓦(3)一年365天每天24小时×= 8670小时(iv)0.84千瓦×8760小时= 7358.4千瓦时(v)在一年内,7358.4千瓦时。因此,相比,LED灯泡是84%比白炽灯泡更有效。这个解决方案是通过这个项目。图25显示仿真结果的工作。

6.1。不同的照明方式

图26显示了整个设备图。数据27- - - - - -30.代表设备与各种led灯如蓝色,红色,白色,和所有颜色led开关在一起。450纳米的蓝色LED灯有助于叶气孔和扩张,光合作用,和叶扩张。在图28,红色LED灯打开,如果工厂照明660海里,感觉它是明亮的阳光直射,因此,它有助于在干伸长,如果工厂照明主要与730 nm,感觉就像生长在另一种植物的影子,太阳光线,阴影从而帮助在叶扩张。在图29日,3000有条件现金援助的白光LED光促进光合作用和植物生长。

7所示。结论

这项工作的目的是找出一个解决室内植物生长使用LED灯和水培法,可以使用任何植物栽培人以外的其他行业。照明设备内置4模式和水培法支持车身设计,增强了植物的生长。发光二极管是一种高效的替代阳光。在这个项目中使用的波长450 nm蓝光,660海里深红色光,730海里远红光,3000有条件现金援助白光。每个波长都有自己的优势植物的生长。450海里蓝光增加叶绿素生产,导致健康的树叶,促进茎伸长,增加气孔开张。660海里深红色和730海里远红光促进生长和开花;具体来说,660海里深红色很亮,给工厂的感觉它增长在太阳底下,有助于植物的茎伸长和整体经济增长,而730海里远的红色是昏暗的,给工厂的感觉日益增长的阴影下导致树叶扩大吸收更多的光。从物质的分析证明了系统是好的替代种植植物没有土壤。电机改变容器中的水每8小时,进而补充新鲜水的植物,从而促进植物生长,总是有充足的水。 With this device, any common person who has no prior experience also can use the device to grow their plants without worrying about sunlight or water.

相比而言,电力消耗正常的生长灯像白炽领导生长灯,有获得80的比例使用LED光生长时效率。尽管LED灯是由45比正常的比例,昂贵的领导更在95年的生命周期的百分比,从而节约大量的成本。这是这个解决方案提出的旨在实现方法。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

信息披露

本研究作为就业的一部分执行马来西亚Tepi大学,埃塞俄比亚。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突发表这篇文章。

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