La Tecnologia LED in Acquario (Parte-1)

Led Blu

Dopo aver trattato alcuni aspetti generali legati alla tecnologia LED  ed in particolare l'applicazione di questa al mondo degli acquari intesa in sostituzione alle più tradizionali tecnologie, affrontiamo la parte più analitica e di progettazione finalizzata alla sperimentazione della illuminazione LED su vasche di ridotto volume.

 

Aggiornamento del 01-12-2010

Ecco in 10 passi gli step del percorso che ci siamo prefissati:

 

1) Raccolta delle esigenze;
2a) Analisi delle offerte del mercato e

2b) individuazione delle soluzioni che valuteremo essere adatte anche sotto l'aspetto tecnico/pratico oltre che quello prestazionale;
3) Sviluppo di un modello di progettazione con preventivi di spesa individuali;

approfondimenti:

a - Componente Fitostimolante,

1) Premessa

2) Scelta

b - Luce "Calda" - Luce "Fredda",

1) Premessa

2) Scelta

c - LED per "Attinico",

d - Sistemi di alimentazione,

1)Premessa

2) Cenni sui sistemi di alimentazione

3) Scelta


4)
Valutazione dei preventivi;
5) Scelta definitiva dei componenti con sviluppo di preventivi individuali puntuali;
6) Acquisto collettivo del materiale;
7) Progettazione realizzativa (vasca per vasca)
8) Realizzazione ed Installazione della soluzione LED adottata;
9) Osservazione e raccolta strutturata dei dati sulle rilevazioni;
10) Pubblicazione e condivisione dei risultati. di massima

 

Vedremo in questo articolo l'approfondimento dei primi 6 punti del programma; le fasi successive le troverete sviluppate e documentate nell'articolo:

La Tecnologia LED in Acquario (Parte Seconda)

 


1 - Raccolta delle esigenze

La raccolta delle esigenze è avvenuta in maniera strutturata: abbiamo organizzato un modello excel per facilitare la raccolta (guidata) dei dati necessari per al progettazione, assecondando le specifiche esigenze dei soci sperimentatori.


Dopo aver indicato alcune importanti elementi come

  • la forma della vasca da utilizzare per la sperimentazione  (1=parallelepipedo, 2=Cilindrica, 3=Parallelepipedo/panoramica, ecc.),
  • le relative dimensioni (H x P x L),
  • l'indicazione anche dell'altezza media del substrato di fondo,
  • lo spessore del vetro,
  • i centimetri d'aria sino al bordo della vasca,

il modello è finalmente in grado di calcolare il volume netto teorico della vasca, fondamentale per le valutazioni successive.

{limageh}Valerio/LED/modello-dati_1.jpg, modello di raccolta dei dati..., 150{/limageh}

Abbiamo standardizzato le possibilità di utilizzo dei LED, secondo questi profili:

 

Soluzione Dolce Full-LED
per una gestione totale con varie batterie di LED pilotati tramite 3 timer e 3 alimentatori distinti:

  • Luce calda (mattina)
  • Luce Calda + Luce Fredda (Fotoperiodo[*])
  • Luce calda (crepuscolo)
  • Luce Blu (effetto lunare) - OPZIONALE

 

Soluzione Dolce Light-LED
per una gestione totale semplificata con LED  gestiti tramite 2 soli timer e 2 alimentatori distinti:

  • Luce Calda + Luce Fredda (Fotoperiodo[*])
  • Luce Blu (Lunare e/o mix crepuscolo) - OPZIONALE

 

Soluzione Dolce Integrative-LED
per la gestione integrativa con LED, di supporto al fotoperiodo principale che resta realizzato con lampade tradizionali (T8/T5/PL/ecc.); i LED sono gestiti con 2 timer e 2 alimentatori:

  • Luce calda (mattina e crepuscolo)
  • Luce Blu (Lunare)  - OPZIONALE

 

Soluzione (Dolce/Marino) Blu-LED light
per gestione con LED blu del solo effetto luce lunare ad integrazione delle soluzioni di illuminazione già previste in vasca con sistemi tradizionali (i LED sono gestiti con 1 timer e 1 alimentatore)

  • Luce Blu (Lunare)

Soluzione (Dolce/Marino) Blu-LED power
per la gestione con LED blu a luce satura ad integrazione delle soluzioni di illuminazione già previste in vasca con sistemi tradizionali (i LED blu sono gestiti con 1 timer ed 1 alimentatore)

  • Luce Blu (satura)


(*) In queste configurazioni la quantità di luce per il fotoperiodo può essere configurata in versione Bassa, Media, Alta a seconda dell'esigenze di luce richiesta in vasca, o sulla base della luce già in uso o su una diversa se si vuole dare una differente impostazione alla vasca).

E' stato anche prevista la possibilità di recepire l'esigenza per acquari con piante o senza distinguendo due macro specifiche da attribuire opzionalmente alle configurazioni con luce bianca:

  • FitoLED o
  • No-FitoLED.

 

Ogni socio interessato alla sperimentazione, oltre ad individuare l'opzione che desidera sperimentare, ha fornito ulteriori dati relativi a:

  • potenza elettrica della lampada oggi in uso sulla vasca (in WATT),
  • temperatura di colore di detta lampada in °Kelvin (se disponibile) o in subordine l'indicazione "calda"/"media"/"fredda"
  • tipo di lampada (tecnologia T8, T5, PL).

Il modello che è stato elaborato a questo punto è in grado di calcolare l'equivalente flusso luminoso fruttando il principio della tradizionale vecchia impostazione Watt/litri ed in base al tipo di lampada ha derivato i più utili valori equivalenti espressi in lumen: lumen/litro e quindi i "Lumen Totali" necessari per le successive valutazioni progettuali.

 

{limageh}Valerio/LED/modello-dati_2.jpg, modello di raccolta dei dati..., 150{/limageh}

 

Le vasche alle quali si riferiscono i dati evidenziati nei modelli di calcolo sono quelle sulle quali è stata avviata la prima fase di progettazione: pur trattandosi di vasce con un ridotto volume, le diverse esigenze di luce sia dal punto di vista della necessità di componneti fotostimolanti nello spettro elettromagnetico della luce, sia semplicemente la temperatura di colore richiesta dagli interessati, ma anche le diverse forme e dimensioni, hanno comportato un'analisi più ampia di quella che inizialmente si era prospettata! Certamente un esercizio teorico che ci ha dato modo di valutare con attenzione il variegato mondo dell'offerta LED.

 

 

2a - Analisi del mercato

 

Dopo una ricerca durata quasi due mesi sono state valutate moltissime soluzioni a tecnologia LED:
- soluzioni proposte dal mercato come "già pronte" per gli acquari;
- soluzioni "fai da te" basate sull'utilizzo di LED idonei all'uso in acquario, secondo le specifiche richieste dai volontari della sperimentazione.

 

Tutte le soluzioni già pronte per gli acquari oggetto della valutazione sono state trovate quasi totalmente carenti di una adeguata documentazione tecnica tanto da non consentire una valutazione di merito in ragione dei diversi requisiti raccolti.
In questo conteso il nostro ambito di ricerca sono state certamente le soluzioni per piccole vasche, ma da una estensione della valutazioni su vasche più grandi abbiamo rilevato prezzi certamente molto elevati con nessuna o poco rilevante informazione sulla effettiva composizione dello spettro elettromegnetico della luce prodotta.
I modelli più raffinati sono composti da batterie di LED GBR (Gree - Blue - Red) che tramite interfaccia USB consentono (attraverso un PC) la gestione di tutte le possibile combinazioni di colore della luce facilmente dimmerizzabile e temporizzabile a piacimento.

 

Le soluzioni "gia pronte" per piccole vasche, anche se talvolta fruibili a prezzi interessanti, non forniscono alcuna informazione sullo spettro della luce prodotta.
Grazie alla disponibilità di un negoziante, ho potuto avviare una breve sperimentazione durata circa 2 mesi su questo tipo di plafoniere per piccole vasche di categoria economica:

 

{limageh}Valerio/LED/sperimentazione_preliminare_1.jpg, Sperimentazione preliminare di una plafoniare a LED commerciale (vista Frontale)..., 100{/limageh} {limageh}Valerio/LED/sperimentazione_preliminare_2.jpg, Sperimentazione preliminare di una plafoniare a LED commerciale (vista da Alto)..., 100{/limageh}


I LED utilizzati in queste applicazioni producuno radiazioni luminose bianche con temperatura di colore piuttosto fredda (valore non dichiarato), ed ho avuto la sensazione, nel breve periodo di sperimentazione, che fossero poco adatte a vasche con piante mancando, qualsiasi totalmente, la completezza con le componenti di luce idonee ad una corretta fitostimolaziionei (vedremo più avanti alcune specificità su questo aspetto).

 

Una sperimentazione seria non poteva affidarsi a questo tipo di tecnologia LED e quindi siamo passati a prendere in considerazione il mercato dei LED alla ricerca di una soluzione "on-demand" che ci consentisse di configurare con soluzioni "fai da te" (a basso o medio impatto operativo) una composizione di LED coerenti con i parametri delle richieste.

 

In questo nuovo contesto abbiamo trovato un mercato certamente molto più ampio, grande confusione sui dati forniti o addirittura totale assenza di documentazione utile per operare una ragionevole progettazione. Come se non bastasse si è osservata enorme differenza di prezzi a volte su prodotti apparentemente simili (anche se è difficile valutare accuratamente gli aspetti prestazionali solo dall'estetica, in mancanza di info tecniche più specifiche) e, talvolta, su prodotti assolutamente identici!

 

In questo nuovo contesto di ricerca sono stati presi in considerazione anche i prodotti LED venduti al dettaglio nei negozi specializzati, con prezzi a volte ragionevoli, altre volte più elevati ed altre volte ancora elevatissimi, sempre senza una apparente correlazione oggettiva.

Certamente una nuova tecnologia, con premesse e titoli di presentazione innovativi e ecologici offre per il mercato nuove opportunità... anche di lucro! Proprio per questo abbiamo avviato l'attività di ricerca e valutazione: per capirci meglio!

Per non lasciare nulla al caso, sono state contattate alcune ditte tra quelle che forniscono LED sul mercato on-line e non solo, ma nessuna delle ditte interpellate ha saputo/voluto fornire informazioni tecniche dei prodotti da loro venduti! Chi ha risposto lo ha fatto fornendo informazioni troppo vaghe per poter essere prese minimamente in considerazioni.

Abbiamo quindi approfondito ed allargato le ricerca sul web, individuando una rosa di fornitori del mercato on-line che, più di tanti altri, forniscono direttamente sui loro portali molti dati tecnici per le soluzioni LED, certo non totalmente esaustivi, ma certamente già utilizzabili per una progettazione di massima.

 

Resta inteso che, nella rosa di rivenditori individuati come papabili per l'acquisto, nessun ha fornito dati precisi sulla composozione dello spettro luminoso dei LED a luce bianca: quasi vengono forniti valori sulla resa cromatica "Ra", per la luce bianca; quando si è fortunati è appena disponibile l'informazione della temperatura di colore (°K) ed i lumen del flusso luminoso prodotto.

Di queste aziende abbiamo scelto un unico riveditore tra quelli individuati: quello che presentava un catalogo sufficientemente vasto, forniva i dati tecnici più completi e puntuali (anche se carenti dei digrammi di spettro della luce bianca), prezzi ragionevoli e concorrenzioali (almeno al momento dell'effettuazione dell'analisi), sconti per acquisti cumulativi (proporzionali al valore dell'ordine).

 

2b - Individuazione delle soluzioni LED

 

La necessità di avviare una sperimentazione con il minimo impatto pratico/operativo nella messa in opera della soluzione è stato un elemento fondamentale. Non tutti i soci che hanno avanzato l'intenzione di cimentarsi nella sperimentazione, sono tecnici elettronici ed hanno specifiche abilità manuali; era, quindi, vitale proporre soluzioni a basso impatto operativo, limitando il tutto a poche saldature che possono essere fatte da qualche volenteroso (tipo il sottoscritto, ma non solo - per fortuna).

Ci siamo orientati, quindi, principalmente (ma non solo) sull'utilizzo di strisce LED flessibili, idrorepellenti (classe IP64-68), realizzate su supporto in alluminio e protette da silicone trasparente. Sono leggerissime (appena 10gr al metro) e suddivisibili in segmenti indipendenti da 5 cm, ognuna contenenti 3 gruppi di LED (a singolo, doppio o triplo clip), alimentabili direttamete a 12V cc (ma anche con tensioni inferiori), disponibili con spettri luminosi diversificati:

  • LED a luce bianca calda 3800°K
  • LED a luce bianca fredda 5000°K / 6000°K
  • LED a luce di colore specifico (spettro circoscritto a specifiche frequenze): Rosso, Viola, Verde, Blu, Giallo ecc.
  • LED RGB con possibilità di gestire lo spettro ed il colore della luce tramile l'alimentazione differenziata dei LED dei tre colori principali.

Queste strisce sono dotate di adesivo 3M che ne consente una facile e sicura applicazione su qualsiasi supporto, ed in base alla classe di impermeabilizzazione anche di lavorare immerse in acqua:

  • IP64 - protetto contro gli spruzzi d’acqua da tutte le direzioni
  • IP67 - protetto contro gli effetti delle immersioni temporanee
  • IP68 - protetto contro gli effetti delle immersioni continue

Per ipotizzare soluzioni alternative più adatte a vasche anche molto piccole non abbiamo tralasciato di estendere la ricerca a altre soluzioni LED, non direttamente idrorepellenti (dovranno quindi essere montate con idonee protezioni  contro spruzzi d'acqua e condensa) come:

Piastre LED (tonde da 20 e da 30 mm di diametro) con attacco tipo G4 che montano 24 gruppi di fotodiodi a doppio chip, per un totale di 48 LED, che assorbono circa 1.8W per 200 lumen e 20.000 o 40.000 ore di tempo di vita alimentabili direttamente a 12V. Anche per questa soluzione l'offerta è con spettri luminosi diversificati:

  • LED a luce bianca calda 2800°K e 3800°K
  • LED a luce bianca fredda 5000°K

Abbiamo valutato anche soluzioni con

  • barre rigide predisposte con batterie di LED,
  • faretti LED telecomandati cambiacolore,
  • fotodiodi singoli tipo CREE, Tubi di vario tipo con dimensioni tipo T5 e T8.

Queste ultime soluzioni sono state tutte scartate per uno o piiù di questi motivi:

  • bassa efficienza luminosa riscontrata,
  • maggiore operatività di montaggio,
  • dimensioni fisiche non idonee alle piccole vasche oggetto della sperimentazione,
  • bassi valori del "tempo di vita" dichiarati del fornitori.

 

Una grande attenzione per la nostra valutazione è andata agli aspetti economici, oltre che a quelli puramente prestazionali. Abbiamo per questo ideato due indicatori che ci hanno consentito di confrontare tra loro gli aspetti economici derivanti dall'applicazione di ogni specifica soluzione LED. Il primo  indicatore ci fornisce l'informazione di quanti centesimi di euro debbono essere investiti per la produzione di 1 lumen di flusso luminoso (cioè cent€/lm), l'altro quante ore di illuminazione si stanno acquistando spendendo 1 euro al fine di produrre un flusso luminoso di 100lm (cioè Ore/€).

Ovviamete anche il tempo di vita delle soluzioni LED analizzate avrebbe dovuto incidere sulla formulazione di un indicatore economico; per non complicare troppo le cose ci siamo orientati all'analisi esclusiva di soluzioni LED che presentavano tempi di vita omogenei (40.000 - 50.000 ore). Malgrado ciò, il secondo indicatore rappresenta bene anche l'aspetto economico intrinseco in questa attitudine prestazionale, anche perchè ne mette a nudo l'effettiva valenza, consentendo un confronto sull'effettivo vantaggio (economico) di un più lungo tempo di vita (svelando che non sempre un LED dichiarato con maggior tempo di vita è più vantaggioso di un LED con minor tempo di vita).

 

{limagew}Valerio/LED/confronto_lista_led.jpg, Tabella di confronto delle soluzioni LED..., 350{/limagew}

 

Abbiamo ottenuto una rosa di soluzioni nei quali l'indicatore economico calcolato varia da un minimo di 3,8 cent€/lm (investimento più vantaggioso) a 62 cent€/lm (investimento meno vantaggioso), con associati a valori dell'indicatore prestazionale (efficienza luminosa) da 130 lm/W (soluzione più vantaggiosa) a 8 lm/W (soluzione meno vantaggiosa).

Abbiamo potuto constatare che non sempre soluzioni LED con un buon "indicatore economico" presentavano anche un buon "indicatore prestazionale" e viceversa; come in tutte le cose, spesso l'ottimo sta ne mezzo!

L'analisi di questi due indicatori (economico e prestazionale), attraverso la mediazione anche con altre caratteristiche oggetto dell'analisi:

  • la classe IP eventualmente necessaria,
  • la temperatura di colore richiesta (°K),
  • il valore della  lunghezza d'onda dominante nello spettro elettomagnetico riprodotto (nm),
  • l'angolo di incidenza dello flosso luminoso emesso,
  • le dimensioni di ingombro,
  • grado di impatto pratico/operativo nella messa in opera della soluzione,

ci hanno portato alla scelta di alcune specifiche soluzioni LED con i quali, lo vedremo, abbiamo sviluppato tre modelli di configurazione LED.

 

3 - Sviluppo di un modello di progettazione

I dati tecnici e non, forniti dal rivenditore, ci hanno consentito non solo di effettuare una scelta ragionata sulle migliori soluzioni LED da adottare, ma, anche, di realizzare uno schema automatico di progettazione che interpretando le caratteristiche della vasche, i livelli ed il tipo di luce "desiderati" nonchè interagendo nei calcoli con alcuni importanti parametri di configurazione, ci ha consentito di effettuare una progetazione abbastanza affidabile in relazione ai dati dispinibili.

Abbiamo quindi, per ogni vasca, elaborato tre diverse soluzioni basate si tre configurazioni di LED alternative:

  1. Strisce LED (impermeabilizzate)
  2. Strisce LED (NON impermeabilizzate)
  3. Soluzione Ibrida: Piastre LED e striscie LED (NON impermeabilizzate)

 

{limageh}Valerio/LED/soluzione_led-1.jpg, Sintesi della Soluzione 1 (Strisce LED impermeabilizzate)..., 140{/limageh}  {limageh}Valerio/LED/soluzione_led-2.jpg, Sintesi della Soluzione 2 (Strisce LED NON impermeabilizzate)..., 140{/limageh}  {limageh}Valerio/LED/soluzione_led-3.jpg, Sintesi della Soluzione 3 (Strisce Soluzione Ibrida)..., 140{/limageh}

 

{limageh}Valerio/LED/striscia_led.jpg, Esempio di Striscia LED impermeabilizzata scelte nella Soluzione-1..., 100{/limageh} {limageh}Valerio/LED/piastra_led_tonda.jpg, Esempio di Piastre LED tonda non impermeabilizzata scelta come componentu della Soluzione-3..., 100{/limageh}

 

Seguire tutti i passi della progettazione può essere, se pur interessante, certamente molto pesante. Vediamo invece insieme quali sono stati i razionali di base che hanno caratterizzato alcuni aspetti più delicati della progettazione.

 

 

 

3a - LED e Componente FITOSTIMOLANTE

 

3a1) La Premessa

Ogni pigmento delle piante assorbe alcuni colori di luce meglio di altri.  La clorofilla assorbe molto bene la luce rossa e quella blu, ma non quella verde; dato che la pianta utilizza la clorofilla per la fotosintesi, questo processo risulta più efficiente con luce rossa e blu.

Una nota ditta produttrice di lampade a fluorescenza per acquario propone delle lampade che emettono una forte componente "verde" teoricamente inutilizzabile dalle piante. Ho letto che qualcuno ha chiesto conto di questa scelta di progettazione ed ha ricevuto come risposta che "le piante acquatiche, diversamente da quelle terrestri, hanno sviluppato la capacità di fruttare questa componente della luce". Ne a me ne ad altri risulta alcune prova scentifica che confermi questa affermazione che a mio avviso trova una sua giustificazione esclusivamente in finalità più del commerciali ed estatici: produrre una lampada con un buon valore dell'indice di resa cromatica (completezza nello spettro luminoso), aspetto che poco ha a che vedere con le esigenze delle piante acquatiche.

 

{limagew}Valerio/LED/spettro_e_fotosintesi.jpg, Diagramma dello Spettro luminoso in relazione alle esigenze delle piante acquatiche..., 250{/limagew}

 

3a2) La scelta

Per la nostra progettazione ci siamo basati, pertanto, sulla teoria classica ed, anche se a scapito della valorizzazione finale dell'indice di resa cromatica del nostro sistema "complessivo" di batteria di LED, abbiamo puntato sull'incremento di quelle componenti dello spettro luminoso più utili alle piante (Rosso e Blu), in aggiunta alla componente base dello spettro luminoso fornito dai LED a Luce Bianca (Calda + Fredda proporzionalmente calibrata).

La luce che utilizzeremo per il nostro acquario di piante dovrà garantire la copertura dello spettro di luce più utile alle piante: circa 350-500 Blu e circa 650-730 Rosso

Allo scopo abbiamo scelto

  1. Strisce LED Colore "Rosso" puro (lunghezza d'onda dominante: 625nm);
  2. Strisce LED Colore "Blu" puro (lunghezza d'onda dominante: 470nm) da accoppiare a
  3. Strisce LED Colore "Viola" (lunghezza d'onda dominante: 390-400nm)

Nel nostro modello di progettazione abbiamo impostato un incremento delle componenti fotostimolanti tra il 5 ed il 7% del totale della luce prodotta, ottenendo i risultati evidenziati nella tabella qui riportata.

 

{limageh}Valerio/LED/parametri_led.jpg, Settore parametrico del modello di progettazione..., 130{/limageh} {limageh}Valerio/LED/output_led.jpg, Settore con lo sviluppo delle quantità ed il tipo di LED  nel modello di progettazione..., 130{/limageh}

 

 

3b - LED e "Luce Calda" - "Luce Fredda"

 

3b1) La Premessa

Un buon bilanciamento della temperatura di colore della luce irradiata in vasca, che misuriamo in °K (gradi Kelvin), consente di ottenere un "sistema di illuminazione" con un buon valore dell'indice di resa cromatica, senza per questo penalizzare le componenti importanti per la fotostimolazione delle piante (se stiamo trattando acquari con piante), nè  la nostra percezione dei colori dei pesci e degli arredi presenti nelle nostre vasche.

Infatti, i colori che percepiamo derivano dallo spettro della luce che sta illuminando il punto osservato: se nello spettro ci sono dei vuoti, alcuni colori (quelli corrispondenti ai vuoti), non risulteranno percepibili; se al contrario tutto le frequenze dello spettro luminoso sono presenti, tutti i colori risulteranno visibili.

Irrorare la vasca con luce bianca "calda" significa usare una luce bianca tendente al giallo/rosso con una temperatura di colore sotto i 4000°K; questa luce enfitazzerà maggiormente i colori "rosso" e "giallo".

Irrorare la vasca con luce bianca "fredda" significa invece usare una luce bianco "latte" a volte tendente quasi all'azzurro con una temperatura di colore superiore ai 5000°K (più è alta la temperaturadi ciolore più l'effetto è evidente l'azzurramento) : questa luce enfitazzerà maggiormente i colori "blu" e "verde";

 

3b2) La scelta

Dal momento che nessuno dei fornitori/produttori ha fornito il diagramma dello spettro luminoso dei LED proposti sul mercato, abbiamo dovuto procedere con una progettazione cautelativa e, indipendentemente dalle potenzialità fistostimolanti dei LED a luce bianca (calda o fredda) abbiamo gestito a parte queste componenti della facendo uso di LED specifici dedicati ad hoc.

La dereminazione della più giusta "tonalità" della luce si è basata, a questo punto, su elementi di estetica, cercando di riproporre la tonalità più simile a quello delle lampade tradizionali (da sostituire) già presenti nelle vasche che i soci hanno proposto per la sperimentazione LED, senza per altro eliminare del tutto la luce complementare alla tonalità "desiderata", conservando quindi un più alto valore di "Indice di resa cromatica - RA" per altro ingnoto e non dereminabile con i dati a disposizione. Questo è stato parametrizzato nel modello di calcolo tramite la distribuzione proporzionale delle percentuali (riportate ad hoc) tra le componente di "luce calda" e quella di "luce fredda".

Tanto per fare un esempio (prima riga del modello di progettazione - Riferimento socio "And), per illuminare la vasca oggi illuminata con lampade PL a 6500°K abbiamo impostato la composizione della miscela di luce con il 30% di luce calda (3800°) ed il 70% di luce fredda (5000°K)

 

 

3c - LED per ATTINICO

 

Alcuni soci hanno optato per una sperimentazione LED sul marino, ad integrazione del parco luci di cui le vasche sono già disposte. In particolare per coprire lo spettro "attinico". Questo gli consentirà di incrementare la luce bianca (sempre poca nel marino) riutilizzando lo spazio lasciato dal neon oggi usato per il tubo T5 a luce blu attinica aggiungendo una o più strisce LED (più facilmente collocabili).

 

Uno dei fornitori che bbiamo scelto per la sperimentazione fornisce anche i dati sullo spettro elettromagnetico delle strisce LED colorate; questo è molto utile perchè ci consente di calibrare meglio la luce nelle vasche, soprattutto quelle per la quali è richiesta una buona componente fitostimolante!
Nello specifico ci offre l'opportunità di aprire una parentesi sul tanto discusso effettivo spettro della famosa luce dei LED blu attinici utilizzati negli acquari "marini di barriera".


Secondo alcune fonti (fornitori di specifiche lampade attiniche T5 e T8 di cui forniscono più precise specifiche tecniche) la luce attinica ha uno spettro che va da 315 nm a 400 nm (e con picco che può attestarsi sui 352 nm).

Per altre lampade, invece, (Arcadia Marine Blue Actinic) viene dichiarato lo spettro attinico tra 400nm e 480nm raccomandandolo come necessario per ottenere l'assorbimento del blu clorofilliano da parte delle zooxanthellae. Tali lampade forniscono il picco intorno ai 420 nm.

Anche qui le informazioni sono sempre discordanti, ma forse non serve essere troppo precisi dal momento che non si è trovato alcun tipo di strisce LED con una lunghezza d'onda così corta.

Sono confermate le mie personali perplessità, maturate già in tempi non sospetti (cioè prima di approfondire l'analisi), sull'utilizzo della luce dei LED Blu non solo come aspetto "scenografico" (effetto luce blu lunare), ma anche come "funzionale" per la fotosintesi delle zooxanthellae.

Infatti i LED Blu in commercio forniscono luce blu con dominante a 470 nm. Questo valore di lunghezza d'onda corrisponde ad un colore blu molto saturo che fornisce certamente uno stupendo effetto scenografico come luce notturna post-fotociclo e pre-buio. Rimane però un valore di lunghezza d'onda troppo alto per svolgere bene anche la sua funzione "clorofiliana".

Invece uno spettro con una lunghezza d'onda a nostro avviso più adatta allo scopo "funzionale" che ci si prefige per la funzione attinica in un acquario marino è la luce "Viola" prodotta con scrisce LED con classe di isolamento IP64 che forniscono un spettro di lunghezza d'onda dominante tra 390-400nm.

Per intenderci la Classe IP64 garantisce "protezione contro gli spruzzi d’acqua da tutte le direzioni".
Meglio sarebbe la IP68 che indica, invece, "protezione contro gli effetti delle immersioni continue", ma non le abbiamo trovate!
Se la striscia LED viene mantenuta fuori dall'acqua, la classe IP64 può bastare!

Quindi abbiamo optato per i LED Viola per il marino, con un'integrazione di luce blu (su richiesta degli interessati), anche per sperimentarne gli effetti scenografici oltre a quelli prestazionali.

 

 

 

3d - LED e Sistemi di Alimentazione

 

3d1) La Premessa

Nei sistemi di alimentazione risiede buona parte dei vantaggi economici derinati dal maggior rendimento della tecnologia LED rispetto alle altre. Diodi LED che sulla carta vantano efficienze di 130lm/watt, una volta inserite in un circuito reale funzionante, vedono ridotti i reali livelli di efficienza energetica anche sino al 50%. Un vero spreco!

Consideriamo inoltre che il tempo di vita dei LED è fortemente dipendente dalla tensione di alimentazione (valore, affidabilità e stabilità) così come lo sono i vantaggi sui costi energetici, a regime, in relazione agli alti rendimenti dei sistemi di alimentazione (potenza elettrica dispersa) e affidabilità (buon dimensionamento ed affidabilità dei componenti).

Vedremo con quali compromessi si è deciso di risolvere anche questi nodi.

 

3d2) I sistemi di alimentazione

Non è certo un caso se uno dei primi contesti ove l'illuminazione LED ha trovato più ambia ed efficace commercializzazione sia stato proprio quello di automobili, roulette e camper. Infatti, oltre ad avere come antagoniste lampade ad incandescenza ben poco efficaci nel confronto diretto, il disporre di fonti di alimentazione da 12/24Volt, già in corrente continua (batterie di accumulatori), ha eliminato tutte le problematiche (riduzione dei rendimenti e costi aggiuntivi) legate all'adattamento della tensione di rete delle nostre case (220Vca) alle esigenze di alimentazione dei LED (tipicamente 12Vcc).

L'abbiamo già accennato, ma lo riepiloghiamo sinteticamente in questa sezione, le principali esigenze nell'alimentazione dei LED sono:
1 - disporre di una tensione elettrica in corrente continua non superiore a quella massima dichiarata dai produttori,
2 - disporre di una "fonte" che fornisca la tensione e la potenza elettrica necessari, mantenendo un "rendimento elettrico" il più alto possibile.

La "fonte" adatta a svolgere questa funzione si chiama tecnicamente convertitore AC/DC e non è altro che un alimentatore che "trasforma" la tensione di rete (220V - alternata), in una tensione molto più bassa (diciamo 12V - per i nostri scopi) in corrente continua.


Apriamo una breve parentesi fornendo qualche elemento complementare in più.

La tensione in uscita dell'alimentatore può essere fissa (12V) o variabile. La variabilità può essere a valori discreti (esempio 6 - 7,5 - 9 - 12) o continua con un dimmer potenziomnetrico (es. da 6 a 12V).
Al variare del "carico" (e quindi della corrente elettrica che attraversa il circuito) o della "tensione di alimentazione" (220 - 240V) la tensione d'uscita potrebbe non risultare stabile ed oscillare intorno al valore approssimativo: 11 - 14V (in genere all'aumentare del carico questa tenderà a diminuire rispetto al valore massimo - senza carico). Nello specifico, aumentando il numero di LED collegati all'alimentatore la tensione di alimentazione tenderà, quindi, a scendere da 12V a 11V, o, peggio, da 14V a 13V.

Abbiamo visto come, per garantire l'elevato il tempo di vita dei LED, sia importante alimentarli correttamente senza superare il valore massimo della tensione consigliata dal produttore, che per le "batterie di LED" (assolutamnente non LED singoli alimentati direttamente) si aggira intorno ai 12Vcc. Valori anche poco inferiori della tensione di alimentazione riducono la quantità di luce prodotta dai LED, a volte modificano anche la lunghezza d'onda della luce prodotta e, certamente, ne estendono il già elevato tempo di vita.

 

Per preservare i LED da questa instabilità i sistemi di alimentazione è bene siano dotati di adeguati componenti che la "stabilizzeranno" tramite semplici tecniche di retroazione negativa. Questi tipo di alimentatori sono definiti "alimentatori Stabilizzati". Non è prettamente necessario avere alimentatori stabilizzati, ma è certamente consigliabile, soprattutto qualora non si abbiano a disposizione strumenti per la misura dell'effettiva tensione erogata dagli alimentatori non stabilizzati.

 

Esistono due macro tipologie di alimentatori adatti ad alimentare i nostri LED:

- Quelli "tradizionali", costituiti da un trasformatore elettromagnetico che funzionano a 50Hz, associato a circuiti elettronici per raddrizzare, livellare e, se necessario, stabilizzare la tensione in uscita;
- quelli più moderni, di tipo "switching", certamente con un'elettronica poco più complessa che hanno un diverso principio di funzionamento basato sull'utilizzo di un piccolissimo trasformatore con nucleo ferromagnetico in ferrite, fatto funzionare a frequenze di decine/centinaia di KHertz (anzichè 50 Hz) ed un'elettronica che provvede a regolare la tensione una volta "Trasformata" in maniera più efficace.

 

Gli alimentatori tradizionali, se ben progettati, dimensionati e dotati di circuito di stabilizzazione, sono certamente molto affidabili ma non presentano ottime performance dal punto di vista del rendimento. Infatti l'ivenitabile surriscaldamento dei trasformatori e dei circuiti di stabilizazione (transistor di potenza/circuiti integrati con finali di potenza), ed in misura inferiore correnti parassite sul nucleo del trasformatore e magnetostrizione, portano ad una dispersione di buona parte della potenza elettrica" consumata dal circuito Alimentatore + LED; questo tipo di alimentatori possono arrivare a disperdere anche sino al 40% della potenza consumata:

PA = PL + PR + PA
Dove:
PA = Potenza elettrica assorbita dall'intero sistema
PL = potenza elettrica assorbita dai LED
PR = potenza elettrica assorbita dai partitori resistivi usati per interfacciare le batterie di LED (in genere con un'alimentazione a 12V una resistore di adeguato valore è colleagto in serie a tre diodi LED)
PA = Potenza elettrica dispersa dall'alimentatore.

 

Gli alimentatori "switching", oggi reperibili a prezzi decisamente economici e confrontabili con quelli dei cugini più tradizionali, offrono diversi vantaggi, tra cui un minore ingombro e peso a parità di potenza, un più elevato rendimento e quindi minore calore prodotto. L'unico possibile inconveniente è dato da eventuali interferenze elettromagnetiche che potrebbero generare (disturbando segnali radio e TV) qualora non fossero anche dotati di un adeguato filtro antidistrurbo. Questi apparati sono più sicuri ed affidabili se anche dotati di sistemi di protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti.

Questi alimentatori riescono a fare il loro lavoro, spendendo appena il 10-15% della potenza elettrica erogata.

 

{limagew}Valerio/LED/potenze_led.jpg, Sviluppo della potenza elettrica che è necessario erogare dai sistemi di alimentazione che piloteranno i LED..., 200{/limagew}

 

3d3) La scelta

Neanche a dirlo, nella progettazione ci siamo orientati verso gli alimentatori tipo "switching", fermorestando la libertà dei soci di scegliere di utilizzare anche piccoli alimentatori meno performanti, fuori progettazione, purchè garantiscano le caratteristiche di "tensione elettrica" e "potenza elettrica" coerenti con le risultanze della progettazione (vedi la tabella sovrastante).

Il modello di calcolo, in relazione agli individuali parametri in input ha sviluppato le "quantità" e la tipologia" di LED necessari, e conseguantemente i livelli di potenza elettrica assorbita per ognuna di queste. In relazione al tipo di configurazione scelta (Full-LED, Light-LED, ecc.) vengono individuate le singole linee timerizzabili ognuna delle quali deve essere collegate da un singolo alimentatore in grado di sviluppare la potenza necessaria.

 

{limageh}Valerio/LED/alimentatore_9.6w.jpg, Alimentatore tipo switching stabilizzato con tensione in uscia regolabile 12V - 9.6Watt..., 80{/limageh} {limageh}Valerio/LED/alimentatore_10w.jpg, Alimentatore tipo switching idrorepellente (IP67) stabilizzato con tensione in uscia 12Vcc - 10Watt..., 80{/limageh} {limageh}Valerio/LED/alimentatore_18w.jpg, Alimentatore tipo switching stabilizzato con tensione in uscia 12Vcc - 18Watt..., 80{/limageh}

 

A tal proposito, la buona norma di progettazione prevede il sovradimensionamento del sistema di alimentazione mantenendo l'effettiva potenza assorbita (dai LED in questo caso) a non più del 60-70% di quella che l'alimentatore è in grado di erogare.

A titolo di esempio, nello sviluppo riportato in tabella (prima riga: socio "AND") si ha una configurazione Full-LED (No-Fito) con 3 linee di alimentazione:

  1. 30 cm striscia LED Bianchi - dominante 3800°K - 4,32 Watt
  2. 60 cm striscia LED Bianchi - dominante 5000°K - 8,64 Watt
  3. 30 cm striscia LED Blu (470nm)                      - 1,11 Watt

Abbiamo scelto per questa configurazione 3 alimentatori switching stabilizzati da 12Vcc e rispettivamente da 10, 18 e 10W (il taglio minimo della potenza erogabile era per l'appunto 10W).

 

Si noti come per i LED Bianchi da 5000°K è stato pensato un alimentatore da 18W e non semplicemente uno da 10W (che avrebbe avuto un margine di sovradimensionamento insufficiente).

 

 

4 - Valutazione dei preventivi di massima


Tramite il modello di progettazione sono stati sviluppati i primi preventivi di massima, indicativi certamente, ma sufficienti a fornire ad ogni partecipante un'idea più precisa di quale sarebbe stato l'ordine di grandezza della spesa finale. Per tutte e tre le macrosoluzioni sviluppate l'investimento iniziale sarebbe stato certamente assai oneroso, soprattutto se commisurato al ridotto volume delle vasche in gioco!

Com'era prevedibile alcuni degli "sperimentatori volontari" si sono (giustamente) ritirati. Del resto i dati parlavano chiaro: si trattava di spendere circa dalle 8 alle 10 volte di più rispetto ad una soluzione tradizionale più economica, con un recupero dell'investimento, che certamente ci sarebbe stato, ma decisamente non immediato!

Altri invece hanno accettato la sfida, proseguendo il percorso, non quindi perchè allettati da ampi margini di convenianza econimica quanto, invece, per la semplice voglia di sperimentare!

 


5 - Scelta definitiva dei componenti


Il mercato, lo sappiamo, è sempre in evoluzione e proprio all'ultimo momemento il fornitore scelto per l'acquisto dei LED ha immesso nei suoi cataloghi un tipo di LED a striscia con classe di impermeabilizzazione IP68, molto performanti!

Al fine di evitare possiìbili problemi riguardo l'impermeabiliazzazione abbiamo deciso di adottare tutti LED con classe di impermeabilizzazione IP67/IP68. Abbiamo contattato direttamente il fornitore (Italiano) che, molto gentilmente, nel giro di una settimana ci ha reso disponibili tutte le tipologie di LED da noi scelti nella versione IP68.

Del resto il fornitore stesso ci ha segnalato che in base alla sua esperienza, nelle strisce IP64, dopo qualche tempo (1-2 mesi), il silicone si stacca a causa del calore e dell'umidità che poi penetra sotto, condensando sulla striscia e rompendola.

Personalmente ho avuto modo di sperimentare in vasca, per circa 1 anno ,l'utilizzo di alcune striscie LED (Blu) con classe di impermeabilizzazione IP64 poste a circa 6/8 cm dallla superficie; in effetti la condenza, a LED spenti (quindi freddi), opacizza fortemente il silicone protettivo, che però ritorna quasi del tutto trasparente con i LED accesi (a caldo)!

 

{limagew}Valerio/LED/led_ip64-opacizzazione.jpg, Particolare di una striscia LED IP64 opacizzata dall'azione della condensazione dell'acqua (Funzionamento a freddo - LED spenti)..., 250{/limagew}

 

{limagew}Valerio/LED/led_ip64-opacizzazionec1.jpg, Particolare di una striscia LED IP64 opacizzata dall'azione della condensazione dell'acqua (Funczionamento a caldo - LED accesi)..., 250{/limagew}

 

{limagew}Valerio/LED/led_ip64-opacizzazionec2.jpg, Particolare di una striscia LED IP64 opacizzata dall'azione della condensazione dell'acqua (Funzionamento a caldo - LED accesi)..., 250{/limagew}

 

Come dimostrano le immagini in alto con le strisce LED IP64 a diretto contatto con  l'acqua o con la  condensa il progressivo deterioramente delle stesse è evidente ed irreversibile. Tale fenomenio, invece , non si manifesta se le strisce LED IP64 vengono mantenute non a contatto diretto con l'acqua, ma  si installano, interponendo uno strato di policarbonato trasparente, ad esempio.

 

Detto questo, nessun dubbio ancora sulla scelta della classe di impermeabilizzazione: IP68!

 

Acquisite le caratteristiche dei nuovi led nel catalogo interno al nostro "modello di progettazione" è bastato poco per ricalcolare tutto all'istante e vedere migliorare sia il bilancio dei conti che le prestazioni!

Ecco LED per LED la scelta definitiva:

  • Bianco Caldo (3800°K): Striscia 180 LED/Metro (Triplo clip) IP68 - 600lm/m (14.4W/mt)
  • Bianco Freddo (5000°K): Striscia 180 LED/Metro (Triplo clip) IP68 - 840lm/m (14.4W/mt)
  • Blu (470nm): Striscia 180 LED/Metro (Triplo clip) IP68 - 100lm/m
  • Rosso (625nm): Striscia 60 LED/Metro (Singolo Clip) IP68 - (120lm/m)
  • Viola (390-400nm): Striscia 180 LED/Metro (Triplo clip) IP68 40-60lm/m

L'impermeabilizzazione di tutte le strisce LED è ottenuta diversamente rispetto alle striscie sino ad ora valutate in quanto i LED sono protetti in un tubo di silicone (noto al mercato come "silica gel") a sezione rettangolare (le strisce scorrono all'interno del tubo protetivo).

Questo materiale è referenziato da mercato per:

  • avere una buona resistenza meccanica pur risultando particolarmente morbido e flessibile,
  • avere una buona trasparenza non detereiorabile nel tempo o a contatto con l'acqua,
  • essere totalmente resistente all'acqua (se ben sigillatti alle estramità viene garantita la classe di impermeabilizzazione IP68 entro pochi metri di profondità - per via della deformazione causata della pressione idrostatica che si incrementa con la profondità),
  • conservare le propri caratteristiche in un range di temperatura che va da -60°C a +200°C,
  • non invecchiare con il tempo,
  • non creare alterazioni del coloredistorsioni sulla luce prodotta dai LED,
  • presentano discrete caratteristiche termoconduttive.

 

{limageh}Valerio/LED/led_ip68-1.jpg, Particolare di una striscia LED con impermeabilizzazione IP68 tramite silica gel..., 100{/limageh} {limageh}Valerio/LED/led_ip68-2.jpg, Particolare di una striscia LED con impermeabilizzazione IP68 tramite silica gel..., 100{/limageh}

 

Questi tubi in silicone impermeabile (diciamolo chiaramente:  prodotti e provenienti dal mercato cinese), stanno trovando largo uso nel mondo dei LED in quanto consentono non solo un'ottima impermeabilizzazione delle strisce LED che in effetti possono essere naiivamente provi di "impermeabilizzazione", ma ne consentono una efficace protezione passiva mantenendo la necessaria capacità di contribuire alla dissipazione termica dei LED (ovviamente commisurata alle ridotte potenze in gioco)!

Vengono prodotte di varie dimesioni/sezioni:

  • da 2,5 mm di altezza con larghezze cha vanno da 8,5 mm12,5 mm e
  • da 4 mm di altezza  con larghezze cha vanno da 10,5 mm14,5 mm)

coprono, quindi, tutta la gamma di strisce LED oggi rese disponibili dal mercato.

 

6 - L'Acquisto


Calcolati i quantitativi di LED necessari, per tipologia di LED, la potenze dei singoli Alimentatori da utilizzarsi secondo le configurazioni  desiderate, si è provveduto ad inoltrare l'ordine al fornitore.

Grazie all'acquisto collettivo siamo riusciti ad avere tutto il materiale con uno sconto del 15%; ciò ha contribuito al contenimento della  spesa finale. Anche le spese relative all'imballo ed alla spedizione del materiale sono state distrinuite, proporzionalmente, fra tutti gli interessati.

Il fornitore è stato preciso ed affidabile. Ecco tutto il materiale acquistato, fotografato appena tirato fuori dalla scatola:

 

{limageh}Valerio/LED/led_01_il_materiale.jpg, Vista di tutto il materiale acquistato - Striscie LED ed Alimentatori..., 150{/limageh}

 

Ora non ci resta che rimboccarci le maniche e procedere verso la realizzazione pratica.


Seguite le successive evoluzioni del progetto che seguiterà ad essere documentato nella seconda parte dell'articolo:

La Tecnologia LED in Acquario (Parte Seconda)

(Progettazione pratica, Realizzazione, Installazione, Osservazione e Rilevazione strutturata dei dati).


By ValerioSub

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