การควบคุมคลื่นแสงและความเข้มแสงของหลอดแสงเทียม

การควบคุมคลื่นแสงและความเข้มแสงของหลอดแสงเทียม

สาธิต โกวิทวที

สาขาวิชาเกษตรศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา

          Light-emitting diodes (LEDs) หรือที่เรียกกันว่า หลอดแสงเทียม ปัจจุบันเป็นที่นิยมเพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของพืช ได้เข้ามามีบทบาทในการใช้กับสิ่งมีชีวิตที่ต้องใช้แสงในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในการเจริญเติบโต โดยเฉพาะการใช้แสงในห้องปฏิบัติการ โรงเรือนปลูกพืชที่ต้องการควบคุมการเจริญเติบโตทั้งหมด หลอดเทียมมีขนาดเล็ก มีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถให้แสงได้อย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน มีความเฉพาะเจาะจงในการผลิตคลื่นแสงตามที่ต้องการได้ดี ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่าหลอดชนิดอื่น และเวลาใช้งานอุณหภูมิของหลอดร้อนน้อยกว่างหลอดชนิดอื่นๆ การทดลองใช้หลอดแสงเทียมกับพืชบกหลายชนิด พบว่าความยาวคลื่นแสงที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจะมีคลื่นที่แตกต่างกันออกไป โดยมีความยาวคลื่นแสงอยู่ในช่วง 400 – 700 นาโนเมตร ความยาวคลื่นแสง 400 – 520 นาโนเมตร จะให้แสงสีน้ำเงิน และ 610 – 720 นาโนเมตร จะให้แสงสีแดง แสงสีน้ำเงินจะมีผลต่อการเจริญเติบโตของลำต้นและใบ ส่วนแสงสีแดงมีผลต่อการเกิดดอกและผล ในการเลือกใช้สีของหลอดแสงเทียมจะใช้เป็นสัดส่วนระหว่างแสงสีแดงและสีน้ำเงิน สัดส่วนของแสงสีแดงกับแสงสีแดงของแสงจากดวงอาทิตย์อยู่ที่สัดส่วน แสงสีแดงต่อแสงสีน้ำเงินเท่ากับ 6.8 ต่อ 1 และสัดส่วนของแสงทั้งสองสีนี้จะมีสัดส่วนอยู่ระหว่าง 4 ต่อ 1 และ 9 ต่อ 1 โดยหลอด LEDs ที่ใช้แสงสีแดงและสีน้ำเงินจะมีความยาวช่วงคลื่น 620.5 – 645 และ 450 – 460 นาโนเมตร ตามลำดับ สำหรับความเข้มแสง (Light intensity) ก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีความสำคัญต่อกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ถ้ามีค่าน้อยไปก็ส่งผลให้พืชมีการเจริญเติบโตช้า หรืออาจมีลำต้นเล็กกว่าปกติ โดยทั่งไปความเข้มแสงที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตอยู่ในค่าที่ควรมากกว่า 6000 – 10,000 ลักซ์ จึงพอจะสรุปได้ว่าการใช้หลอดแสงเทียมในการปลูกพืชที่ให้การเจริญเติบโตได้เป็นปกติ ควรคำนึงถึงความยาวคลื่นแสง และความเข้มแสง โดยความยาวคลื่นแสงเป็นการจัดสัดส่วนของหลอดแสงเทียมระหว่างสีแดงและสีน้ำเงิน ส่วนความเข้มแสงจะทำการเพิ่มจำนวนหลอดแสงเทียม

          สำหรับในการศึกษาความยาวคลื่นแสงและความเข้มแสง สามารถทำให้มีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาในรอบวันได้ ด้วยการใช้หลอดแสงเทียมรุ่น WS2812 โดยมีสายไฟฟ้าควบคุมเพียงชุดเดียว 3 เส้น คือสายข้อมูล สายขั้วบวกและลบ ให้แสงได้ 24 bit และในหนึ่งแผงหลอดแสงเทียมจะมีหลอด 64 RGB LEDs (ดังภาพที่ 1) โดยผู้เขียนคำสั่งสามารถใช้ภาษาซี เขียนคำสั่งควบคุมคลื่นแสงให้มีความยาวคลื่นแสงอยู่ในช่วง 400 – 700 นาโนเมตร ด้วยคำสั่ง NeoPixe. setPixelColor (pixel, NeoPixel.Color (R, G, B)); การกำหนดสีเป็นการใส่ตัวเลข 0 ถึง 255 ในตำแหน่งของ R G และ B ถ้าใส่ตัวเลขมากในสีใดก็จะทำให้หลอกแสงเทียมให้แสงสีนั้น เช่น (255, 0, 0) แสงที่ได้จะเป็นสีแดง แต่ถ้าให้เป็น (255, 255, 255) จะได้แสงสีขาว หรือไม่มีสี แต่ถ้าวัดความยาวคลื่นแสงจะได้ความยาวคลื่นแสง 400 – 700 นาโนเมตร ส่วนการกำหนดค่าความเข้มแสงสามารถใช้คำสั่ง NeoPixel.setBrightness (L); อักษา L ในวงเล็บเป็นการให้ใส่ค่าตั้งแต่ 0 ถึง 255 ถ้ามีค่าตัวที่ใส่เข้าไปในวงเล็บมีค่าสูง (สูงสุดได้ 255) ก็จะให้การความเข้มแสงของหลอดแสงเทียมนั้นๆ นอกจากนี้ยังสามารถเขียนคำสั่งให้หลอดแสงเทียมแต่ละหลอดมีค่าคลื่นแสงและความเข้มแสงได้อีกด้วย การนำหลอดแสงเทียมในรุ่นดังกล่าวมาใช้ในการควบคุมคลื่นแสงและความเข้มแสงจะทำให้ผู้ใช้สามารถควบคุมการสังเคราะห์แสงของพืชหรือสาหร่ายเซลล์เดียวในการเพิ่มผลผลิตสารสำคัญขึ้นได้อีกทางหนึ่ง

ภาพที่ 1 แผ่นหลอดแสงเทียม 64 RGB LEDs รุ่น WS2812B-64

เอกสารอ่านประกอบ

Xu, Y., Chang, Y., Chen, G. and Lin, H. (2016). The research on LED supplementary lighting system for plants. Optik 127: 7193-7201.

Massa, G. D., Kim, H., Wheeler, R. M. and Mitchell, C. A. (2008). Plant productivity in response to LED lighting. HortScience 43 (7): 1951-1956.