CAPSIKIT : Conception et réalisation de panneaux d'éclairage LED

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Tomo Croqueuse Document préparé par Papo4334



Sommaire

Préambule

Ce document vise à consigner les réflexions relatives à la conception, réalisation et expérimentation de panneaux d’éclairage LED “DYI” à base LED à l'unité avec une régulation d'alimentation en courant constant sans utiliser de résistances de régulation qui gaspillent inutilement de l'énergie.

Le terme CAPSIKIT a été choisi arbitrairement pour simplifier la désignation des ces panneaux éclairants. Les piments et spécifiquement les capsicum chinense sont particulièrement exigeants en ce qui concerne leur éclairage. "Qui peut le plus, peut le moins" : les panneaux prévus pour ce positionnement ambitieux permettront de cultiver la très grande majorité des autres plantes avec succès

La famille Capsikit B (B comme Barres rigides LED du marché), à base de barres rigides LED, vise avant tout un prix minimal et une simplicité maximale de réalisation tant au niveau LED qu’au niveau alimentation. Elle n'est pas traitée dans ce document

La famille Capsikit P (P comme Paruls : voir plus loin), à base de LED à l'unité et d'alimentation en courant constant, vise à l’optimisation du flux lumineux et de la consommation électrique (W compteur). C'est celle qui fait l'objet de ce document.

exemple de réalisation par des "tomodoriens"

Afin de se faire une idée de ce qui est envisageable avec cette approche technique et d'entamer la lecture de ce document, le lecteur qui le souhaite peut préférer commencer par la lecture du document suivant qui présente un exemple de réalisation :

Objectifs

Structure modulaire

Info le choix de géométrie et de dimension du panneau éclairant est fait dans un but de simplicité d'approvisionnement en matériels et composants, et pour permettre à chacun en fonction de ses besoins de d’adapter son panneau en fonction de ses attentes, à partir des composants modulaires présentés ci-après. Il est tout à fait possible de faire d'autres choix.Il appartiendra au lecteur de faire les adaptations et ajustements convenables.

L'ambition est que le panneau d’éclairage soit presque aussi facile à modifier et à adapter aux besoins qu'un panneau à base de tube fluorescents dont on peut remplacer des tubes (par exemple blanc froid 6500K, par des tubes blanc chaud pour accompagner les plantes au long de leur croissance) et sur lesquels il serait possible de rajouter des tubes supplémentaires.

Ainsi le composant de base d'un capsikit sera comparable à un tube fluo sur sa réglette (intermédiaire entre les tubes de 90 cm et ceux de 115/120cm).



Géométrie

Le module de base fait 100 cm x 50 cm.

Différentes variantes permettent de répondre aux besoins spécifiques (en spectre et en puissance) aux différentes phases de croissance des plantes depuis la germination jusqu’à floraison et fructification.

Chaque module est, a priori, prévu pour l’éclairage d’une surface équivalente à la sienne. Ainsi il faudra 1 module pour éclairer une surface de environ 100 cm * 50 cm.

Si l’on prend des modules très puissant, il est cependant tout fait envisageable d’éclairer une surface nettement plus grande, typiquement 120 cm par 70 cm, dès lors que l’on admet que les bords seront un peu moins éclairés.

Il y a 2 approches pour l’installation des plantes et des modules d’éclairage

  • Enceinte fermée (au moins sur les côtés) : il faudra mettre des parois réfléchissante (genre peinture blanche, couverture de survie ou mylar)
  • Pas d’enceinte mais plantes placées dans une zone éclairée par la lumière naturelle (idéalement derrière une fenêtre au sud ou à l’ouest). L’apport de lumière naturelle compensera les pertes dues à l’absence de paroi réfléchissante.

La hauteur des modules au dessus des plantes devra être ajustée en fonction de la taille des plantes. Une hauteur de 20 à 25 cm minimum (maximum 40) entre le haut des plantes et les LED est recommandée. Nota: les modules sont équipés de 4 pitons permettant d’ajuster facilement leur positionnement en hauteur.

Spectre et puissance

On distinguera 3 phases dans la croissance des plantes :

  • PH1 : croissance végétative initiale ; depuis la germination et typiquement pendant les 4 à 6 premières semaines
  • PH2 : croissance intermédiaire (poursuite de la croissance végétative jusqu'au début de croissance générative -début de floraison-). Selon les plantes la durée de cette phase est typiquement de 4 à 7 semaines.
  • PH3 : croissance générative, celle de la floraison et fructification


A titre indicatif (pouvant varier selon les plantes) le spectre typique moyen convenant à chacune de ces phases est le suivant :

  • Phase PH1 : spectre blanc froid avec une proportion significative de lumière bleue (typiquement 6500K)
  • Phase PH2 : intermédiaire entre la précédente et la suivante
  • Phase PH3 : spectre blanc chaud et ou “full spectrum” avec une proportion importante de lumière rouge .


En terme de puissance lumineuse reçue, exprimée en DLI -Dayly Light Intégration- (unité représentant sur 24h la somme de l’énergie lumières (photons) fournie au plantes, les besoins sont typiquement

  • Phase PH1 : de 9 à 13
  • Phase PH2 : de 12 à 20
  • Phase PH3 : de 18 à 30

Prise en compte des exigences, choix structurants

Le PARUL, composant de base du panneau éclairant

PARUL : Profilé Aluminium Rigide en “U” équipé de Leds

Info Voir en annexe une description et des illustrations de paruls.


Définition et caractéristiques principales d'un parul

Paruls Détails
Paruls Détails
Paruls Détails
Paruls Détails
  • Utilisation d’un profilé d’aluminium en “U” :
  • Le profilé est placé dans le sens de la largeur du panneau (typiquement 1 m).
  • Les LEDs sont fixées sous le “U”.
  • Les fils d’alimentation des LED courent dans le U et ressortent sur le côté à une extrémité.
  • Le profilé aluminium fera au moins 20 mm de large (base du “U”) et 15 mm de haut (les côtés du “U”). Ainsi la surface de dissipation par W sera au moins 2 à 3 fois supérieure à celle des barres rigides LED de type 8520 à puissance égale.
  • Un PARUL PX (X pour EXtra) est équipé de LED haut de gamme, CREE XM-L2 (voir ci-après)
  • Un PARUL PS (S pour Standard) est équipé de COB 10 W “noname”, très bon marché.
  • Par simplicité toutes les LED d’un PARUL sont de même type et câblées en série.

Avec les puissances effectives envisagées, selon la puissance lumineuse visée, on installera de 3 à 6 LED par PARUL de 1m, réparties sur sa longueur. Ce qui donnera une puissance électrique effectivement consommée par PARUL de 12 W à 27 W.

Schéma de principe illustré

Schéma de principe.

Parul Schéma


Pour un panneau capsikit complet (vue de dessous avec les 5 paruls fixés aux 2 extrémités sur des cornières alu)

Capsikit Schéma


Les LEDs

L’idée est de s'approcher au maximum la simplicité de conception et de montage des panneaux à base de barres rigides LED.

Pour cela les LED seront montées sur une forme de barre rigide, réalisée par une profile d’aluminium en “U”. Le terme “PARUL” (ou “parul”) désignera un profilé équipé de ses LEDs.

Tension maximale

Pour des raisons de sécurité, nous avons choisis des solutions qui permette de ne jamais dépasser une tension de 50 à 55 V dans le montage.

Info 'Mise en garde' : il s'agit de montage électrique pouvant présenter des risques; il est déconseillé de se lancer dans ce type de montage sans une connaissance minimale de ces risques et des moyens de les prévenir, en particulier il est fortement conseillé de brancher ce type de montage derrière un distjoncteur différentiel 30 mA. 'Nous déclinons toute responsabilité en cas de mauvais montage'.

LED prises en compte dans cette étude

Pour différentes raisons dont les 2 principales sont i) l'homogénéité du flux lumineux sur la surface éclairée et ii) le choix de limiter la puissance pour éviter de devoir recourir à une dissipation active de la chaleur, les LED prises en compte dans cette étude sont d'une puissance effective de 3 à 5 W.

Info Des LED moins puissantes obligeraient à en installer un trop grand nombre ; des LEDS plus puissantes entraîneraient des difficultés de maintien de la température des LED

Pour obtenir cette puissance effective dans de bonnes conditions de rendement et de longévité des LED, il convient de les utiliser dans une plage de 30 à 50% de leur puissance nominale. Cela conduit à choisir des LED de puissance nominale autour de 10 W.


Dans cette étude 2 types de LED ont été retenues : CREE XM-L2 et COB "noname" 10W

CREE XM-L2
  • CREE XM-L2 : puissance nominale 10 W ; intensité maximale 3 000 mA ; tension typique proche de 3 V ; plage d'utilisation optimale (pour nos besoins) entre 1 000 mA et 1 500 mA. Modèle fiable aux caractéristiques connues et garanties et un rendement optimal, en contrepartie d'un prix d'achat élevé.
  • Utilisation typique: autour 1400 mA, ~ 3.02 V, 4.27 W
  • Efficacité : ~ 58 %
  • Existent en Cool white (6300/6500k), Neutral White (3900/4200K) et Warm White (2900/3300K)
  • Existe avec platine star 20 mm
  • spécifications précises et faibles
  • Prix à l’unité  : 9 à 10 € (origine fiable Europe, TVA incluse) ou 4 à 4.5 € (origine asiatique, plus douteuse)
  • alimentations possibles : en série, autour de 1 400 mA.
COB "noname" 10W
  • COB "noname" 10W : puissance nominale 9/10W; intensité maximale 900/1 000 mA; tension typique proche de 9V ; plage d'utilisation optimale entre 280 et 450 mA. Le rendement (estimé suite à différents tests) se situe dans la plage 40 à 50% (contre 55 à 60% pour les CREE), mais i) le prix d’acquisition est bien moindre et surtout il existe des spectres comme (dont 10 000K ou Full Spectrum) qui ne sont pas disponibles dans la gamme CREE XM-L2.
  • Utilisation typique: 350 mA, ~ 8.65 V, ~3 W
  • Efficacité : ~ 44 % (estimée après tests, variable de 40 à 48% selon origine et modèles)
  • Disponible en tout spectres dont 10 000K, 12 000K, Full Spectrum, royal blue, blanc chaud, blanc froid, mais spécifications de spectre peu fiables.
  • COB sur platine 20 mm
  • Spécifications peu fiables : il a fallu plusieurs tests et mesures pour disposer de spécifications permettant de dimensionner les alimentations
  • Prix à l’unité  : 1 à 2,8 € (origine asiatique)
  • alimentations possibles : en série autour de 290/400 mA ou en parallèle (exemple par 2 lignes en 700 mA, ou par 3 lignesen 1050, ou par 4 lignes en 1400 mA)


En fonction du spectre cible, les LED CREE seront préférées pour assurer l'éclairage dans les spectres disponibles (blanc froid, blanc neutre ou blanc chaud) alors que les COB seront principalement utilisées pour les spectres non disponibles avec les CREE XM-L2 (typiquement "Full Spectrum" et blanc très froid "10 000K").


Info Ce choix peut paraître minimaliste ; ces LED sont représentatives des 2 extrémités de l'offre. Les CREE sont parmi les LED les plus performantes de l'offre d'un des constructeurs les plus réputés et offre un des rendement les plus élevés (autour de 58% dans nos conditions) ; les COB "noname", à l'opposé, sont parmi les moins chères.





Info D'autres modèles ont été envisagés mais n'ont pas été retenus pour différentes raisons, comme par exemple une tension d'alimentation typique supérieur à 20V qui interdisait d'un mettre plus de 2 en série pour respecter notre exigence de ne pas dépasser une tension de 50à 55V dans le montage.

Rien n'interdit de choisir un autre modèle de LED mais il reviendra à l'utilisateur de refaire les calculs (pas si simples) concernant leur alimentation, et leur apport en énergie lumineuse.


Toutes les LED d’un même parul sont de même technologie avec les mêmes caractéristiques électriques ; typiquement, ce seront des LED du même modèle.

Paruls : terminologie
  • Technologie PX : LED de catégorie X (X pour eXtra), haut de gamme CREE XM-L2, puissance nominale 10W, utilisées généralement entre 4 et 5 W réels, avec un rendement lumineux moyen de 58% (58% de l’énergie électrique consommée est transformée en énergie lumineuse)
  • Technologie PS : LED de catégorie S (S pour “Standard”) COB “noname” pas chère, puissance nominale 9/10W, utilisées autour de 3 W réel, avec un rendement lumineux moyen de 44%


Les paruls sont désignés par

  1. le type de LED utilisées (X ou S, voir ci-dessus)
  2. le nombre de LED par parul.

Par exemple, un parul PX5 sera équipé de 5 LED CREE et un PS6 de 6 COB “noname”.

Puissance typique moyenne des différents paruls

La puissance électrique réelle de chaque parul dépendra

  1. du type et du nombre de LED intallées sur le parul
  2. du choix d’intensité d’alimentation de ces LED

Le puissance lumineuse réelle (énergie des photons émis) dépend du rendement de chaque modèle de LED (typiquement autour de 58% pour les CREE et de 44 à 48% pour les COB).

L'efficacité sur la croissance des plantes dépend également de l'adéquation de ce spectre aux besoins de la plante dans la phase de croissance considérée.

Les paruls typiques comporteront entre 3 et 6 CREE ou entre 4 et 6 COB, ce qui correspond à une puissance électrique entre 13 et 26 W par parul de type PX, et entre 12 et 18 W pour les paruls de type PS.

Info Les puissances électriques au dessus de 27 W sont ignorées car cela ferait trop de puissance pour un même profilé et poserait des problèmes complexes d’évacuation de la chaleur.




Info le PAR W est la mesure de puissance de la lumière émise (les photons) par une source en se limitant à la bande du spectre (comprise entre 400 et 750 nm) utilisable et utile à la photosynthèse. Les PAR W sont bien des W, et le ratio entre PAR W et W (électriques) consommés par la source donne le rendement (ou efficacité) de la source lumineuse.

En termes de puissance lumineuse réelle (photons émis) qui se mesurent en PAR W (W de Photons actifs/efficaces pour la photosynthèse) cela donne une puissance dont voici quelques exemples typiques (dans les conditions d'alimentation envisagées dans ce document) :

  • PX4 : ~ 9/10 PAR W
  • PS5 : ~ 6/7 PAR W


A titre de comparaison pour une barre rigide 8520 de 100 cm, la puissance électrique moyenne est proche de 14/16 W, dont~ 11/12 W dans les LED avec un rendement moyen trente 30 à 38% et la puissance lumineuse réelle (celle des photons émis) d'environ 4/5 PAR W. De même un tube T5-HE de 849 mm de long, consomme 21W dont environ 20 W pour l'éclairage, et une puissance lumière émise d'environ 9 PAR W, alors qu'un tube T8 de 1200mm de 36W produira une puissance lumière de ~ 13 PAR W.

Alimentation électrique

Les LED à l’unité s’alimentent en courant constant par des drivers.

Chaque driver, afin d'optimiser son rendement, doit être dimensionné pour que sa puissance effectivement consommée soit dans la plage 66 à 95% de son nominal.

Les drivers "dimmables" sont pourvus d’un système de gradation de lumière (dimmer) qui permet de faire varier la puissance (parfois seulement dans une plage de 40 à 100% de ses possibilités).

Un driver se caractérise i) par l'intensité du courant qu'il délivre et ii) par la page de tension qu'il est capable de maintenir pour délivrer cette intensité.

Avec un driver il est donc possible d'alimenter en série une ligne de LED à l'intensité de courant spécifiée. le nombre de LED est conditionnée par la tension maximale et minimale qu'il peut fournir.

Une autre possibilité avec un driver est d'alimenter plusieurs lignes (identiques) de LED en parallèle avec les caractéristiques suivantes :

  • l'intensité dans chaque ligne est (à très peu de chose près) la tension nominale divisée par le nombre de lignes mises en //.
  • la tension de chaque ligne doit se situer dans la plage de tension supportée par le driver
  • la puissance totale consommée doit être au maximum de 95% du nominal indiqué pour ce driver.

En pratique dans notre cas, avec les modèles de drivers les plus facilement disponibles à prix raisonnable  :

Info Il existe sur le marché chinois des drivers très peu chers vendu pour 20W et 350 mA; Tous nos tests ont montré que l'intensité réelle est de 290 mA. Cela permet d'alimenter en série une ligne de 5 COB au maximum, sachant que à 290 mA la puissance sera d'environ 17% inférieur à celle en 350 mA qui est déjà une valeur conservatrice pour ce type de LED.


  • les CREE XM-L2 seront le plus souvent alimentées en série (à une intensité entre 1 200 et 1 500 mA)
  • les COB "noname" 10 W, seront le plus souvent alimentées en // avec 2 à 5 lignes mises en parallèle ; puisque l'intensité cible visée se situe entre 280 et 400 mA, avec 2 lignes en // il faudra un driver délivrant entre 560 et 800 mA ; avec 3 lignes, un driver délivrant entre 840 et 1 200 mA, avec 4 lignes en //, un driver délivrant entre 1 120 et 1 600 mA; avec 5 lignes, un driver délivrant entre 1 400 et 2 000 mA.


Intérêt d’un éclairage multi spectre

Les années d’expérience avec les pouponnières ou la culture indoor (des jardiniers amateurs et donc majoritairement sous tubes fluo ou CFL) nous ont appris que les spectres “blanc froid” sont bien adaptés (donnent de bons résultats) à la croissance végétative et les “blanc chaud” à la croissance générative.

Les premiers retours d’expérience en PoupoLED confirment que c’est au moins aussi concluant avec les LEDs.

En première approche on peut donc reproduire la même approche avec 2 familles de modules selon le stade de croissance des plants (spectre blanc froid et blanc chaud).

Pourquoi chercher au delà des spectres “blanc froid” et “blanc chaud”

La lecture de nombreux travaux scientifiques sur l’éclairage artificiel des plantes nous a conduit à penser qu’il était possible de faire mieux en terme d’efficacité réelle (développement des plantes par rapport à la facture du fournisseur d’électricité) ce qui est précisément un des objectifs majeurs de cette étude.

Sans rentrer dans les détails voici un résumé de ces raisons :

  • Premiers acquis : Il est connu qu’un éclairage avec un spectre renforcé dans les bandes de longueurs d’onde correspondants aux pics de rendement de la synthèse des chlorophylle A et B apporte une amélioration de la croissance à puissance (de flux lumineux) égale. Un spectre en dos de chameau avec une bosse “bleue” et une bosse “rouge” apporte un meilleur rendement.
  • Il est également connu que la croissance végétative est améliorée par un spectre froid (typiquement 6500 K) et que la croissance générative par un spectre chaud (typiquement 3200 à 3 700 K). Pour autant on peut aller plus loin.
  • L’effet Emerson qui a démontré qu’en matière de photosynthèse “1+ 1+ … +1 (n fois) est > n” (le rendement de la photosynthèse avec un éclairage comprenant n bandes de longueur d’onde est plus grand que la somme de celle obtenue avec chaque bande séparément). Plus généralement un spectre assez large apporte un meilleur rendement que quelques bandes pourtant choisies aux longueurs d’onde les plus favorables. De même, si le vert (autour de 550 nm) est la couleur qui, isolée, donne (avec le jaune) le plus mauvais rendement, les études et expérimentations ont démontrés que sa présence (même très minoritaire) dans un spectre améliorait le rendement de l’ensemble.
  • Les premiers retours sérieux (hors affirmations de vendeurs) semble confirmer que les spectres dits "Full Spectrum" donnent de bons résultats (au delà des premières semaines après germination).
  • En ce qui concerne nos éclairages artificiels la disponibilité de au moins deux spectres différents (allumés séparément ou, mieux, gradable/dimmable séparément) va nous permettre dans une certaine mesure de mieux adapter l’éclairage à i) un cycle quotidien, et ii) à l’évolution des besoins des plantes en fonction de leur stade de croissance.

Certains expérimentateurs ont observés des désordres (oedèmes) sur de jeunes plantules (entre 10 et 20 jours après germination) soumises à un éclairage artificiel blanc froid relativement puissant (pour ce stade de croissance) et ont découverts qu’une forte proportion de bleu dans le spectre permettait d’éviter ce problème/

Ce que nous permettent les LED c’est d’avoir à disposition une palette de possibilités dont, en commençant par les 3 classiques :

  • Blanc froid : autour de 6500 K
  • Blanc chaud : autour de 3 200 K
  • Blanc neutre : autour de 4 300 K
  • Full Spectrum : avec un pic 440/470nm et une bosse large de 600 à 720 nm (idéal pour les 2 pics des chlorophylles A et B, et bon pour le béta-caroténe)
  • 10K : blanc très froid CCT : 10 000K
  • 12K15K : blanc très froid CCT : 12 000K/15 000K
  • Du bleu dont le “royal blue” : autour de 450 nm
  • Du rouge dont rouge, rouge cerise et rouge lointain (resp. 620, 660/670 et 720/730 nm) particulièrement efficaces pour les chlorophylles et les pigments phytochromes Pr et Pfr pour les 2 derniers).

Recommandations pour les modules d’éclairage

Rappel : L’objectif est que la courbe spectrale résultante corresponde autant que possible à celle (en dos de chameau à 2 bosses) du rendement de la photosynthèse en distingant croissance végétative (qui demande plus de bleu et moins de rouge) et croissance générative (le contraire).

En prenant en compte ce qui précède une première approche envisageable est celle de partir d’une base reconnue (par exemple blanc froid pour la croissance végétative) et de l’améliorer en ajoutant des LEDs monochromes (dites monochromes) pour renforcer le spectre dans les bandes de couleur qui nous semblent faibles pour une efficacité optimale.

On peut identifier trois inconvénients à cette approche :

  • Manque de connaissance de la physiologie des plantes : nous ne disposons pas des informations nécessaires pour savoir i) identifier précisément quelle(s) couleur(s) (longueur d’onde) rajouter au spectre de base, ni, ii) encore moins, savoir quantifier quelle proportion de cette couleur installer dans l’éclairage.
  • Non respect de l’effet Emerson qui conduit à préférer des spectres relativement large à la somme de quelques bandes de couleurs étroites.
  • Possibilités techniques : avec le choix de LED de puissance (entre 3 et 5 W réellement utilisé par LED) il sera difficile de trouver une disposition géométrique qui assure l’homogénéité de la lumière avec un petit nombre de LEDs

C’est ce qui a conduit à une approche alternative et légèrement iconoclaste (puisque remettant en cause les bases traditionnelles “blanc froid et “blanc chaud”) consistant à combiner 2 spectres (relativement) larges plutôt qu’un spectre de base avec une ou 2 corrections ponctuelles par des LED monochromes.

En voici la description pour les 2 phases de croissances (végétative et générative).

Avertissement : ces propositions ne sont, en l’état actuel, que des constructions intellectuelles. L’expérimentation devra prouver (ou infirmer) leur validité.


Phase 1 : Croissance végétative

les études montrent qu'un DLI dans la plage 9 à 13 semble le plus approprié.

L’approche retenue consiste à combiner un spectre blanc neutre et un spectre très froid (autour de 10 ou 15 000K).

La combinaison des deux dans un rapport voisin de 60% / 40% apporte :

  • Un CCT résultant proche de celui du blanc froid (connu pour être efficace)
  • La possibilité, même sans dimmer, en allumant et en éteignant séparément les 2 composantes, de joueur sur l’évolution de l’intensité et du spectre pendant un cycle quotidien (par exemple le 10 000 k est allumé 1h30 après le blanc neutre et éteint 1h30 avant).

Exemple d'une réalisation simple :

  • le capsikit comportera 2 paruls PX4-BN et 1 paruls PS5-10000K
  • Puissance : les PAR W respectifs sont approximativement de 18.7 et 7.1, donnant sur une surface éclairée de 0.5 m² un PPF de environ 174 + 56 = 230 puissance correcte à ce stade de croissance (DLI de ~ 10.5).
  • Deux drivers simples 60 et 35 W suffisent.

Phase 2 : jusqu’au début de floraison

La proposition est de combiner de la même manière les spectres “blanc neutre” et “full spectrum”. Le premier est intermédiaire entre les classiques blanc froid (phase précédente) et blanc chaud (phase suivante). Le second apporte i) une bosse rouge plus importante et plus décalé vers le rouge lointain) et ii) une proportion de bleu supérieure.

Exemple d'une réalisation simple :

  • Le module comportera 3 paruls PX4-BN (29 PAR W) et 2 paruls PS5-FS (13 PAR W)
  • Ce qui donne un PPF combiné de 261 + 134 = 395 (DLI voisin de 18)

Les 2 paruls FS seront allumés 1 heure après les 3 BN et éteint 1 heure avant les BN.

Phase 3 : Croissance générative : floraison / fructification

Pour cette phase de croissance un spectre avec un part importante de rouge (couvrant bien la plage 650 720 nm) semble idéal. A cette fin le spectre des COB Full-Spectrum intervient à puissance photon égale avec le blanc neutre qui vient compléter le spectre et apporter la composante verte. La puissance cible est un DLI proche de 25 sur une surface éclairée de 0.75 m² (niveau feuillage, donc environ 0.9 m² au sol) car il s'agir alors de plants adultes dans des pots plus grands et occupants plus d eplace au sol.

Exemple d'une réalisation simple :

  • Le module comportera 4 paruls PX5-BN (47 PAR W) et 7 paruls PS6-FS (47 PAR W)
  • Ce qui donne un PPF combiné de 290 + 310 = 600 (DLI voisin de 25)

Nota : sans dimmer programmable, les paruls FS seront allumés 1 heure après les BN et éteint 1 heure avant eux.

Phases 1 + 2

Pour ceux qui ne voudraient qu’une seule pouponnière, il est possible de réaliser un panneau qui éclaire les 2 phases (en jouant sur l’allumage extinction de ses 3 composantes). Nota: avec les décalage dans le temps des semis de piments, aubergines et tomates, il semble préférable d’avoir au moins deux pouponnières dédiées chacune à une seule phase et de transférer les plants de l’une dans l’autre en fonction de l’avancement de leur croissance.

Le module serait composé de : 3 PX4-BN + 2 PS5 10K + PS5-FS

Avec le mode de fonctionnement suivant :

  • Pendant les 4/5 premières semaines, seuls seraient utilisés les paruls 10K et BN
  • Pendant les 4/5 semaines suivantes, les paruls 10K et FS seraient utilisés à 50%
  • Pour les semaines suivantes, les paruls 10K seraient allumés à 66%, alors que les BN et FS seraient utilisés à 100%.

Capsikit : un panneau de paruls et son alimentation

la structure portante du panneau

Capsikit cadre


Afin de pouvoir manipuler le panneau et notamment de permettre la fixation de pitons, les paruls sont installés dans une structure (un cadre) rectangulaire en bois, munis aux extrémités de 2 cornières aluminium en L (typiquement 20*35mm) sur lequel seront fixés les paruls.
Ci-contre quelques photos illustrent les détails de la structure et de son montage, dans l'ordre suivant

Capsikit Cadre Détails
Cornière en L ; étape 2
Etape 5
Etape 6
Etape 7










  1. couper (à la bonne longueur) les 4 liteaux bois qui serviront de cadre au panneau capsikit
  2. percer les profilés en L pour permettre de les fixer sur les liteaux d'extrémité (ébarber les trous)
  3. percer les profilés en L pour permettre (ultérieurement) la fixation des paruls (ébarber les trous)
  4. visser les profilés en L sur le cadre bois
  5. visser/coller les liteaux perpendiculaires
  6. visser les 4 pitons ronds qui permettront de maintenir le panneau
  7. visser/coller des "pieds", aux 4 coins de la structure, qui permettent de surélever le panneau (si on le pose) afin d'éviter tout risque de toucher la face (fragile) des LED




les paruls retenus comme composant de base du kit

les paruls retenus comme composants potentiels d'un capsikit sont les modules

  • PX: à base de LED CREE XM-L2 , en spectre blanc froid, blanc, neutre (principalement) et blanc chaud
  • PS: à base de COB "noname" 10W, en spectre blanc très froid (10 000K ou 12 000K) et Full Spectrum

caractéristiques électriques des paruls PX

Selon le nombre de LED et l’intensité du courant (entre 1050 et 1400 mA) la puissance consommée par un parul PX sera de l’ordre de

parul PX 1 050 mA 1 200 mA 1400 mA
PX3 9 W 10.5 W 12.8 W
PX4 12 W 14.2 W 17.1 W
PX5 15 W 17.8 W 21.3 W
PX6 18 W 21 W 25.6 W

caractéristiques électriques des paruls PS

Selon le nombre de LED et l’intensité du courant (entre 290 et 380 mA) la puissance consommée par un parul PS sera de l’ordre de

parul PS 290 mA 350 mA 380 mA
PS4 10 W 12 W 13 W
PS5 12.5 W 15 W 16.25 W
PS6 15 W 18 W 19.5 W

dimensionnement des drivers

Nota: comme indiqué par ailleurs, il convient de choisir les drivers fournissant l'intensité voulue (celle retenue pour les LED alimentées en série, ou n fois celle retenue pour les LED dans le cas de montage de n lignes en //).

Une fois un premier choix fait sur le papier, il sera indispensable faire une passe de vérification, en prenant les spécifications détaillées du driver envisagé, afin de s'assurer que le dispositif prévu respectera bien les plages d'utilisation minimale et maximale indiquées (tension et puissance) par le constructeur.

Pour ce qui est de la puissance, les tableaux ci-dessus, permettent de choisir les puissances nominale des drivers.

Le tableau suivant permet, en prmière approche, d'indiquer pour chaque puissance de driver les paruls qu'il peut alimenter en conditions optimales (en retenant les intensité de 350 mA pour les COB et 1 400 mA pour les CREE) - en gras les configurations recommandées-.

puissance du driver plage optimale configuration(s) en paruls
35 W 23 / 33 W 2*PX3 ; 2*PS4 ; 2*PS5
40 W 28 / 37.5 W 2*PX4 ; 3*PS4
60 W 40 / 56 2*PX5 ; 3*PX4 ; 2*PX6 ; 3*PS5 ; 3*PS6
90 W 60 / 85 W 3*PX5 ; 4*PX4 ; 4*PX5 ; 4*PS5 ; 4*PS6 ;
100 W 68 / 94 3*PX6 ; 4*PX5 ; 4*PS6

Pour les modules PX alimentées en série il est possible de combiner des paruls comportant un nombre de LED différents. Ainsi on pourra alimenter en série un ensemble composé de 2 PX5 et 1 PX3 (42.6 + 12.3) avec un driver 60 W 1 400 mA.

Dimensionnement (LED et alimentation) d'un Capsikit

La phase de croissance visée permet de choisir la puissance et le spectre à mettre en oeuvre dans le panneau.

Quelques exemples illustrent ce dimensionnement :

Ce qui suit est, sauf mention explicite contraire, pour une surface éclairée de 0.5 m²

PH1 ; DLI 12

Pour une phase PH1 (croissance végétative initiale), en visant un DLI proche 12, il conviendra de choisir un spectre de type blanc froid, qui pourrait être réalisé de la façon suivante :

  • 3 PX4 blanc froid (DLI : ~ 11 avec 14h d'éclairage quotidien)
  • 2 PX5 + 1 PX3 blanc froid (DLI : ~ 12)
Info Le 2ème modèle est préférable car permettant une meilleure homogénéité de la lumière.
PH2 ; DLI 16

Pour une phase PH2 (croissance végétative et début de croissance générative), en visant un DLI proche 16, il conviendra de choisir un spectre avec une proportion plus importante de rouge, qui pourrait être réalisé de la façon suivante :

  • 2 PX4 blanc neutre, 1 PX4 blanc froid, 1 PX 4 blanc chaud
  • 2 PX4 blanc neutre, 1 PX4 blanc froid, 2 PS4 FS (DLI : ~16)
Info Le 2ème modèle semble disposer d'un spectre plus efficace et puissance égale.
PH3 ; DLI 24

Pour une phase PH3 (croissance générative, floraison et fructification) en visant un DLI proche de 26, le spectre devra comporter une proportion de rouge nettement plus importante, qui pourrait être réalisé de la façon suivante :

  • 5 PX5 blanc chaud
  • 2 PX5 blanc neutre, 3 PS5 Full Spectrum, 2 PS4 10 000K
Info Diverses études et expérimentations semblent indiquer le le spectre du deuxième modèle est plus favorable : plus de rouge dans différentes longueur d'onde et présence de vert.

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Autre exemple (panneau effectivement réalisé) pour une surface éclairée de ~0.85 m² et fin de phase 2, début de phase 3

PH3 ; DLI 24 ; 0.85 m²
  • 2 PX6 + 2 PX3 blanc neutre, 2 PS5 10 000K, 4 PS5 Full Spectrum, pour un DLI ~24 pour 13 à 14 h d'éclairage quotidien.

Résumé de la démarche pour concevoir un panneau

En résumé, une fois choisie la surface à éclairer (nombre de plants en fonction de leur age et donc de la taille des godets) on peut procéder comme suit :

  • i) déterminer l'intensité lumineuse cible approximative dans les "couleurs/spectres" visés (en se basant sur les données disponibles pour les différentes plantes visées, en fonction de l'étape de croissance (végétative, générative) donnée le plus souvent en DLI ou en PPF dans la littérature sérieuse).
  • ii) sachant que les CREE ont un rendement voisin de 58% (dans les conditions précédentes - valeur assez fiable à partir des specs CREE) et les COB nn un rendement entre 40 et 50% (plage de valeur estimée mais confortée par diverses expérimentations avec différents modèles de COB nn 10W)
  • iii) sachant que (toujours dans les conditions précédentes) les CREE vont consommer environ 4.27 W X et les COB nn 10W entre 3 a 3.5 W
  • iv) déterminer le nombre (approximatif) de LED de chaque modèle (dans mon cas blanc froid et blanc neutre avec des CREE ; blanc très froid et/ou Full Spectrum avec des COB). Dans la mesure du possible, pour les spectres disponibles en CREE XM-L2 (blanc froid, blanc neutre et blanc chaud) privilégier ces LED qui sont celles qui apportent le meilleur rendement (W électrique consommé / W Photons produit) et minimisent donc les coûts de fonctionnement.
  • v) Déterminer le nombre de paruls de chaque type (nombre de LED sur chacun et spectre) qui permet de s'approcher au mieux des résultats précédents) ; ceci peut conduire à ajuster légèrement le nombre de LED.
  • vi) déterminer le / les drivers nécessaires à partir de l'intensité devant circuler dans chaque parul. Ne pas oublier que l'on peut mettre en parallèle des paruls identiques ; dans ce cas le driver devra délivrer une intensité double pour 2 paruls en parallèle, triple, pour 3, quadruple pour 4... Pour optimiser leur rendement il est recommandé d'utiliser des drivers dans la plage de 70% à 90% de leur puissance nominale. Ne pas oublier de vérifier le respect, avec au moins 5 % de marge, des tensions mini et maxi de chaque modèle (sachant que dans nos conditions les XM-L2 vont utiliser entre 2.9 et 3.2V et les COB "nn" 10W entre 8.5 et 9.5 V).

Exemple 1 :

  • germinateur de 0.3 m² : DLI cible entre 9 et 13, spectre "blanc froid".
  • En retenant des XM-L2, il en faudrait donc entre 6 et 9 ; on cible donc 7 ou 8
  • un driver LPC 35-1400 est donné pour un output de 1400 mA et une plage de tension entre 9 et 24 V.

Sachant qu'une XM-L2 à 1400 mA sera sous une tension entre 3 et 3.1V ; on en déduit que ce driver pourra alimenter entre 3 et 7 CREE (exemple 1 PX3 et 1 PX4) . nota : tenter de mettre 8 CREE sur ce driver ne donne pas un bon résultat car l'intensité délivrée baisse ==> ces 8 CREE vont donc moins éclairer que seulement 7.

Exemple 2 :

  • composante FS (Full Spectrum) d'une maxi poupo de 1 m² pour croissance végétative (nota: en plus de la base réalisée avec 4 PX6 blanc froid et blanc neutre pour 60% de la puissance)
  • la puissance cible pour cette composante FS est de l'ordre de 150 +- 15% (PPF), soit entre 20 et 30 COB "nn" 10 W
  • un LPF 90D-48 pour 1880 mA (soit 5 fois 376 mA). Je peux donc l'utiliser pour alimenter 5 lignes parallèles de COB nn 10W (sachant que pour ces COB 376 mA correspondent à ~ 9.37 V) et chaque ligne pourra être composée de 5 COB (5 PX5). Le driver fonctionnera alors à ~ 46.85 V.. ce qui me convient puisque i) l'intensité de 376 mA est bien dans la plage proche de 350 mA , ii) on est un peu en dessous du max du driver , iii) on reste en dessous de 50 V. Retenu : 5 paruls PS5 Full Spectrum avec ce driver.

Estimation des coûts du matériel et des coûts de consommation

Les indications qui suivent permettent une estimation raisonnable du prix de revient d'un capsikit.

prix indicatifs à l'unité

On distingue dans ce qui suit i) la structure du panneau permettant d'y placer les paruls, ii) les paruls eux-mêmes et iii) les drivers.

structure du panneau

En comptant les liteaux bois, les 2 profilés en L de 50 cm, la visserie, le prix d'acquisition du matériel est de l'ordre de 20€

paruls

les LED

Ci après quelques tarifs typiques (à mi 2016) indicatifs à l'unité

  • CREE XM-L2 : de l'ordre 8 à 9€ (en Europe), ~4 € en Asie
  • COB "noname" 10W Full Spectrum : ~2,6€
  • COB "noname" 10W "10 000K" : ~ 1.2€
le profilé

En y ajoutant les prix i) du profilé alu en U de 1m lui-même, ii) des fils de câblage (fil souple de section 0.75 ou 1 mm²) , iii) de la colle thermique et iv) des 2 connecteurs Wago (entre le parul et le driver), on obtient un prix indicatif de l'ordre de 7.5€

les drivers

drivers non dimmables
  • les tarifs suivants correspondent à des drivers classique de type MeanWell LPC achetés sur Internet en Europe avec TVA et frais de port inclus
  • 35 W : ~ 23 €
  • 60 W : ~ 26 €
  • 100 W : ~ 34 €
drivers dimmables
  • les tarifs suivants correspondent à des drivers classique de type MeanWell LPF achetés sur Internet en Europe avec TVA et frais de port inclus
  • 40 W : ~ 38 €
  • 60 W : ~ 42 €
  • 90 W : ~ 53 €

quelques exemples

A titre indicatif

Capsikit A ; DLI 12

composé de de 3 paruls de 4 CREE chacun (12 LED) ; ~57 W électrique dans les LED

  • structure : 20 €
  • paruls : 3*7.5 + 12*4 = 70.5 €
  • drivers : 26€
  • TOTAL : 136 €

Capsikit B ; DLI 18

composé de de 3 paruls de 5 CREE chacun (15 LED), et 2 paruls de 5 COB FS; ~95 W LED

  • structure : 20 €
  • paruls : 5*7.5 + 15*4 + 10*2.6= 120 €
  • drivers : 34 + 23 = 57 €
  • TOTAL : 197 €

Capsikit C; DLI 25 sur 0.85m²

Nota: A cette puissance il est recommandé de procéder à une allumage et une extinction progressive. Par exemple allumer les CREE puis 30 minutes plus tard, les Full Spectrum, enfin 30 minutes plus tard, les 10 000K; extinction symétrique en démarrant 12h plus tard.

composé de de 4 paruls PX (20 CREE), 4 paruls PS (20 COB Full Spectrum), 2 paruls PS (10 COB 10000K) ; ~177 W

  • structure : 20 €
  • paruls : 10*7.5 + 20*4 + 20*2.6 + 10* 1.5= 222 €
  • drivers : 34 + 34 + 23= 91 €
  • TOTAL : 333 €

Capsikit D; ultra-puissant ; -- drivers dimmables

Nota: la sur-puissance est prévue pour permettre de "dimmer" certains spectres en fonction de la phase de croissance et des besoins des plantes.

composé de de 5 paruls PX (20 CREE), 3 paruls PS (15 COB Full Spectrum), 2 paruls PS (10 COB 10000K)

  • structure : 20 €
  • paruls : 10*7.5 + 20*4 + 15*2.6 + 10*1.2= 206 €
  • drivers : 53 + 42 + 38= 133 €
  • TOTAL : 359 €

Estimation de consommation électrique

5.3.2. Technologie P La consommation réelle compteur et d’environ 12 à 15 % plus forte que celle consommée dans les LED (rendement des drivers en courant constant).

Hypothèses : 14h d'éclairage quotidien, prix du kWh ~0.15€

Pour les exemples ci-dessus, cela donne, les estimations suivantes :

  • Capsikit A : ~57 W électrique dans les LED --> 64 W compteur ; soit pour 14 h ~ 0.9 kWh; soit 0.135 € quotidien
  • Capsikit B : ~95 W électrique dans les LED --> 107 W compteur ; soit pour 14 h ~ 1.5 kWh; soit 0.225 € quotidien

comparaison avec un éclairage à base de barre rigide 8520

Pour un éclairage comparable (puissance lumineuse des photons émis équivalente),

  • il faudrait environ 30% de puissance électrique supplémentaire dans les LED (ratio estimé du rendement des CREE par rapport aux SMD 8520 des barres rigides)
  • il y aurait environ 25 % de courant additionnel dans les résistances de régulations
  • il y aurait une perte de 15 % additionnel dans l'alimentation (en 12V tension constante)

Au total, la consommation électrique compteur serait au moins 90% plus importante qu'avec le système de LED à l'unité alimentées en courant constant.

Ainsi pour le Capsikit A, le surcoût facture d'électricité serait de au moins 0.125 € quotidien, soit de 12.5€ pour une saison de 100 jours. En prenant en compte un durée de vie de 5 ans, l'économie réalisée est au minimum de 62 €. Cela correspond au moins au surcoût d'investissement par rapport à une solution à base de barres rigides (et ce sans tenir compte qu'il est probable que les barres rigides puissent avoir une durée de vie inférieure).

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Retours d'expérience

Hivernage de piments

Quelques photos valant mieux qu'un long discours, le cas d'un piment japonais Gosheke (ou sa variante de transcription : Goshiki).

conditions d'hivernage

  • une poupo en intérieur, devant une fenêtre au sud
  • hivernage commencé le 3 novembre 2016
  • T°24 : 26°C (moyenne quotidienne) avec variations jour/nuit entre 21 et 31°C
  • éclairage avec un mix de blanc très froid 12000K, blanc froid 6500K, blanc neutre (~4700K) et Full Spectrum ; DLI moyen 23/25

les étapes

  • H+20 Premières nouvelles feuilles Premières nouvelles feuilles
  • H+33 Premiers boutons Premiers boutons
  • H+40 Première fleur Première fleur
  • H+57 Premiers fruits Premiers fruits
  • H+85 Maturation Maturation
  • H+94 Fruits mûrs Fruits mûrs

commentaires

  • environ 20 jours pour les premières nouvelles feuilles
  • environ 40 jours pour la première fleur
  • environ 53 jours entre nouaison et fruits à maturité
  • Nota : la variété Gosheke est une variété à fructification très rapide, d'autres capsicums sont nettement plus lents