LED in acquario: realizzazione plafoniera

Scritto da Andreone il . Postato in Bricolage

Inizio con il dire che utilizzo i LED, nel mio acquario, per due motivi:

  • risparmio (energetico, prezzo componenti)
  • versatilità (ce ne sono di tutti i tipi e colori e poi trovi il modo di metterli ovunque).

Inoltre, preferendo acquari senza coperchio, trovo che le plafoniere a LED siano esteticamente più belle (i gusti so, gusti).

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Per descrivere cosa ha di diverso questo progetto, dai tanti altri che si trovano in rete, comincio con l'affrontare un argomento tecnico, la dissipazione.

I LED producono molto calore; per un funzionamento ottimale protratto nel tempo, necessitano di adeguati dissipatori.
Questo aspetto è molto importante e va affrontato con la giusta attenzione, altrimenti vedrete i vostri LED smettere di funzionare in poco tempo, vanificando tutti i ragionamenti fatti su tonalità, spettri luminosi o quant'altro.

I progetti che ho trovato in rete hanno un aspetto in comune: i LED vengono fissati (con colle o viti) a vari tipi di supporti metallici, che hanno anche lo scopo di dissipare il calore. Generalmente sono delle lastre di alluminio alettate.

Dissipatore

Per un'ottimale dissipazione passiva, devono avere determinate dimensioni; altrimenti, se sottodimensionate rispetto al numero dei LED, si rende necessario l'utilizzo di ventole (dissipazione attiva).

Questo sistema (che ho sperimentato in passato) non mi soddisfa per tre motivi...

  1. Fissaggio dei LED alla piastra. Soprattutto se si utilizzano delle lenti, non è sufficiente il solo silicone termico.
  2. Fili e LED in vista.
  3. Costo elevato del dissipatore. Ho utilizzato una lastra sottile di alluminio, molto sottodimensionata, per via del costo eccessivo di quella prevista; per compensare ho utilizzato una ventola... e comunque qualche LED è partito!

Per ovviare a questi inconvenienti, ho pensato ad una plafoniera (con o senza lenti) dove i LED sono fissati ad incastro, i fili e gli stessi LED rimangono coperti e, dulcis in fundo, i dissipatori hanno un costo estremamente contenuto.

Sì... "dissipatori"... la differenza sta proprio nel fatto che non ne utilizzo uno solo, ma uno per ogni LED! (doppia versatilità).
Veniamo al sodo...

Lista dei materiali

  • LED High Power 3W. Io ho utilizzato 12 LED da 6000 K, 3 da 4500 K, 3 da 3000 K, 3 rossi, 2 a spettro completo.
    I LED, acquistati online, non hanno marca ed hanno le seguenti caratteristiche:

    • 6000K, 4500K, 3000K:  3.6-3.8 V - 700 mA - Prezzo unitario 0,26 euro.
    • Rossi: 2.2-2.4 V - 700mA - Prezzo unitario 0,32 euro.
    • Spettro completo: 3.2-3.6 V - 700mA - Prezzo unitario 0,33 euro.

      Led Small

  • Lastra plexiglass, spessore max 2,5 mm (o vetro sintetico).
  • Profilato angolare in PVC, 20 x 20 x 1 mm (oltre 60 cm, alluminio 10 x 10 x 1).
  • Dissipatori: misure 35x35x10 mm; 23 dissipatori a 7 euro.
  • Cavo elettrico: spessore 1,5 mm e 0,5 mm.
  • Resistenze in ceramica 10 W.
  • Due basette millefori.

    MatEl Small

  • Lenti, nel caso si voglia realizzare la versione con lenti, che vedremo più avanti.
  • Connettori dc 2,1 x 5,5 millimetri, maschio e femmina.
  • Carta stagnola

Attrezzatura

  1. Trapano con punta da 8 mm (x versione senza lenti) o 20 mm (con)
  2. Saldatore elettrico e stagno
  3. Cacciaviti, taglierino, pinze e forbici
  4. Colla a caldo

Prima di descrivere la realizzazione pratica, bisogna che parli della centralina che utilizzo, perchè questa influisce sulla quantità di LED da potere utililizzare e su come collegarli tra loro.

Il modello si chiama TC420:

Centralina

E' dotata di un software (solo per Windows) facile ed intuitivo, per la programmazione degli orari. Si trova ad un prezzo di 20 euro.

Questo controller funziona con una tensione di alimentazione di 12 o 24 V; eroga la stessa tensione su 5 canali, con una corrente massima di 4 A ciascuno (Max 20 A).
L'amperaggio di cui necessitiamo sarà determinato dal numero dei LED e dei canali che vogliamo utilizzare.
Calcolato questo valore, alimenteremo la centralina con un alimentatore (12 o 24 v) adeguato, rimanendo sempre all'interno dei 20 A.
L'alimentatore stabilizzato da 12 V - 20 A costa sui 15 euro, anche meno.

Alimentatore

Per quanto riguarda i calcoli bisogna considerare:

  • Tensione del canale 12 volt, corrente massima 4 A.
  • Tensione e corrente dei LED (tensioni diverse a seconda del colore; corrente 700 mA)

Ad esempio, i LED da 6000 K (da me utilizzati) hanno una tensione di lavoro da 3,6 a 3,8 V, con 700 mA di corrente.
Quindi, dovendo rimanere all'interno dei 12 V erogati dal canale, possiamo alimentare serie composte da massimo 3 LED:

3,8 x 3 = 11,4 volt (< 12)

Aggiungendo un altro LED avremmo:

3,8 x 4 = 15,2v (> 12... siamo fuori)

Questa serie di tre LED necessita quindi di 11,4 V, con una corrente di 700mA; per ottenere tale tensione dovremo aggiungere una resistenza in ceramica.
La formula per il calcolo della resistenza è:

R = (Vi - Vled) / A  ...dove "A" è la corrente.

Quindi, nel nostro caso:

(12 - 11,4) / 0,7 = 0,8 Ω

Il valore sul mercato più vicino a quello da noi ottenuto è di 1 Ω.
In merito alla potenza, benchè vi sia una formula per calcolarla, mi sento di consigliarvi quelle da 10 W.. scaldano veramente tanto!!

Quante serie può sostenere un canale?
Se vogliamo mettere più serie, queste dovranno essere collegate in parallelo, bisogna quindi sommare gli amperaggi delle singole serie.
Il totale dovrà essere inferiore ai 4 A di cui disponiamo.

Nel caso dei LED da 6000 K, potremo collegare fino a cinque serie...

5 x 700 mA = 3,5 A (< 4 A ...OK!)

...per un totale di 15 LED (45 W).

Mostro lo schema di una serie di tre LED...

Serie led

...e lo schema di collegamento della centralina:

Schema

IMPORTANTE: i LED di una serie devono avere la stessa tensione.

Per questa plafoniera utilizzo solo due canali:

Nel primo vi sono quattro serie di 3 LED da 6000 K.
Le resistenze sono da 1 Ω (10 W).

Nel secondo abbiamo:

  • 1 serie tre LED 4500K resistenza da 1,8 Ohm
  • 1 serie tre LED 3000K resistenza da 1,8 Ohm
  • 1 serie tre LED rossi resistenza da 8 Ohm
  • 1 serie 2 LED spettro completo resistenza da 8 Ohm

I due canali, tester alla mano, richiedono 6 A scarsi.

Realizzazione pratica

La prima cosa da fare è realizzare una base in Plexiglas, dove saranno applicate le lenti o direttamente i LED.
Lo spessore delle lastre non deve essere superiore ai 2 - 2,5 mm.

Tagliare il Plexiglas è molto semplice: prima taglieremo il lato lungo, poi quello corto.
Disegnata la sagoma sulla lastra, con un taglierino abbastanza robusto e una tavoletta di legno per riga, cominciamo ad incidere le linee.
Non serve tagliare completamente, basta fare una discreta incisione.

Posizioneremo quindi la lastra tra la tavoletta ed il piano di un tavolo, facendo corrispondere i bordi di legno con l'incisione.
Fermata così la lastra, piegheremo con un colpo secco, verso il basso, la parte di questa che sporge fuori dal tavolo... La lastra si spaccherà precisamente lungo l'incisione.
La mia base misura 620 x 150 mm.

Per quanto riguarda la disposizione dei LED, ho realizzato prima un modello su carta.

Modello

Avere un dissipatore per ogni LED ci dà la possibilità di disporli ovunque vogliamo.
L'unico limite, per così dire, è dato dall'ingombro dei dissipatori (35 x 35 mm), pertanto i LED dovranno stare ad una certa distanza l'uno dall'altro.

Modellobase

Ho sovrapposto la lastra di plexiglass allo schema; poi, con un punteruolo, ho segnato i punti in cui praticare i fori.

 

Versione con lenti

Servono 23 lenti impermeabili, angolo 120°, prezzo 3.50 euro.

Lenti

Con il trapano e una punta da 20 mm pratichiamo i fori nei punti che abbiamo segnato.
Applicheremo della carta stagnola nella parte interna della base, utilizzando un collante trasparente. La facciata da incollare sarà quella più lucente.
Con un taglierino toglieremo la stagnola dai fori.

base

Le lenti, dalla parte in cui esce la luce hanno un diametro di 20 mm, mentre dalla parte del LED hanno un diametro leggermente superiore e presentano un piccolo bordo.
Si inseriscono le lenti nei fori e si spingono, fino a quando il bordo non toccherà la base; il diametro superiore le farà incastrare.
Non bisogna spingere troppo altrimenti la base si crepa.
Se vediamo che la lente entra difficilmente e che per farla arrivare in fondo dobbiamo fare troppa forza, bisognerà rifinire un poco il foro con della carta vetro o con il taglierino.

Baselenti

A questo punto si applicheranno i LED sulle lenti; facendo una leggera pressione, vi si incastreranno perfettamente.
Tutto rimane fermo senza l'uso di colle.

Lenti led

Logicamente, prima di fissare i LED vanno fatti tutti i collegamenti elettrici; questo lo vedremo più avanti, perché il discorso vale anche per la versione senza lenti.

Led fissati

Sulla superfice dei LED, così fissati, applicheremo uno strato di silicone termico; sopra vi posizioneremo i dissipatori, facendo una leggera pressione.
La pasta termica e la forza di gravità terranno i dissipatori perfettamente al loro posto.

Led dissipatori

Prova collegamenti...

Prova


Versione senza lenti

Il procedimento, per la plafoniera senza lenti, è quasi lo stesso.
Ricavata la base in Plexiglas, segneremo i punti dove collocare i LED; i fori, però, questa volta li faremo con la punta da 8 mm.

Fori 8

Esaminiamo ora come sono fatti questi LED:

bulbo

Osservando il datasheet...

datasheet rv

...vediamo che il bulbo che contiene il LED ha un diametro di 8 mm.
Inoltre, avrete notato che ho colorato una parte di rosso. Questa parte, di poco più di 1 mm, ci permetterà di incastrare il LED alla base.
Malgrado le ridotte dimensioni, vi assicuro che i LED rimangono ben saldi.

Le linguette di metallo che entrano nel bulbo (frecce verdi nel datasheet) faranno da spessore, evitando così il contatto tra il Plexiglas e la basetta di alluminio (che scalda); questo spazio è più che sufficente per il passaggio dei cavi elettrici.

sl3

Inseriamo tutti i LED nei fori, applichiamo la pasta termica e mettiamo quindi i dissipatori, facendo un pò di pressione.

sl2

I cavi elettrici li ho fissati alla base con della colla a caldo.

sl4

E' molto importante essere estremamente precisi e rapidi nel fare i fori.
Se fate buchi poco precisi... addio incastro!
Un consiglio... Fate prima delle prove su un pezzo di Plexiglas di scarto, fino a quando non avrete affinato la tecnica.

Mostro un'immagine del risultato...

Prova2

...anche da altra angolazione:

Prova3


Collegamenti

Con questa centralina gestisco l'illuminazione di due acquari, pertanto l'ho posizionata nel mobile; altrimenti si potrebbe collocare nella plafoniera stessa.

Come già anticipato, utilizzeremo solo due canali:

  • Canale 1 (4 serie bianchi 6000 K)
  • Canale 2 (2 serie bianchi caldi, 1 serie rosso, 1 serie spettro completo)

Il collegamento tra la centralina e le serie di LED non è diretto; utilizzeremo dei connettori come quelli in foto: 2,1 x 5,1 mm.

Femmina1

La femmina sarà inserita sul lato della plafoniera per noi più comodo; il maschio è il terminale del cavo che arriva dalla centralina.

Maschio1

Quando vogliamo levare la plafoniera, è un attimo scollegare i fili.

All'interno della plafoniera, in corrispondenza del connettore, ho messo tutte le resistenze in ceramica.

Col 2 Small

Per evitare di appoggiarle direttamente sul plexiglass (scaldano veramente tanto) e per fare un lavoro ordinato, le fisseremo su di una basetta millefori.

Coll2 2

Faremo tutti i collegamenti stagnando sul lato del rame.
Tra la basetta e il Plexiglas metteremo dei distanziatori.

Coll5 2 Small

Sulla basetta del canale 2 ci sono più resistenze, rispetto al canale 1.
Questo perchè i valori necessari, per le serie dei LED rossi e dello spettro completo (8 Ω), li ho ottenuti mettendo due resistenze da 4 Ω in serie.

CH2

Come potete vedere, sulla base si salderanno solo i contatti positivi.
Il negativo passa soltanto sotto ed arriva ad un punto della plafoniera dove ci sarà il collegamento dei negativi.

NegativoMOD

Le serie di ogni canale, collegate in parallelo, hanno l'ingresso e l'uscita (negativo e positivo) in comune.

Immagine

Per quanto riguarda le singole serie uniremo i LED nel modo seguente:

Coll4

Ai più attenti non sarà sfuggito che non ho messo, tra i motivi per cui utilizzo i LED...
..."perchè funzionano!".
Non avendo basi teoriche per potere argomentare sulla loro efficacia, ho preferito non esprimermi.
Posso però parlare della mia esperienza e dei risultati, che sto ottenendo nei miei acquari.

Vorrei chiarire subito che i LED di per se non sono miracolosi; non basta realizzare la plafoniera e piazzarla sull'acquario... e come per incanto tutto funziona a meraviglia, con piante rigogliose, scomparsa delle alghe e quant'altro.
Anzi se non si considera una serie di aspetti... sarà proprio il contrario!!

Il loro utilizzo, passatemi il termine, va "tarato" in relazione alle esigenze delle nostre piante, alle dimensioni della vasca, a quali specie vogliamo coltivare.
Una volta deciso quali LED fanno al caso nostro (e come disporli) dobbiamo passare alle regolazioni.

La centralina ci da una grossa mano, abbiamo la possibilità di fare tutto quello che vogliamo, durata fotoperiodi, intensità della luce, effetto alba/tramonto, prevedere pause all'interno del fotoperiodo.
I canali, poi, sono indipendenti.

Decideremo in seguito a quale altezza piazzare la plafoniera, se sia il caso o meno di utilizzare delle lenti e  quale dovrà essere il loro angolo.
Quindi, l'uso dei LED è più complicato di quanto possa sembrare. Nel mio caso, si potrebbe dire che è un "work in progress"...

Mostro ora alcuni risultati, ottenuti con la plafoniera senza lenti:

Acquario LED 2

Acquario LED 4

Acquario LED 5

Passiamo ora alla versione con lenti:

Acquario LED 6

Acquario LED 7

 

Copertura

La copertura è molto semplice; la realizzeremo utilizzando:

  • Profilato angolare (parte superiore; dà stabilità e serve per fissarci il coperchio)
  • Vetro sintetico/Plexiglas (lati corti e coperchio)
  • Pannello di polipropilene compatto, nero, da 1 mm (lati lunghi)

Prima di incollare il tutto con della colla a caldo, dovremo praticare, sui lati corti, i fori per i jack e per la ventola (80 x 80 mm):

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Dovendola inserire all'interno della base, rispetto a questa dovrà essere lievemente più piccola.

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Il pannello di polipropilene è molto leggero e allo stesso tempo molto flessibile; per farlo aderire completamente al lato della base, dovremo creare delle piccole guide (larghe poco più di un millimetro)...

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...incollando alla base stessa dei pezzi di profilato angolare; questi saranno molto utili anche per fissarci i fili (frecce gialle).

mod 2

Il coperchio, sul quale faremo più fori per l'aria calda, sarà fissato sul profilo angolare con qualche punto di nastro biadesivo, in modo da poterlo togliere comodamente all'occorrenza.

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Mostro l'intero blocco anche dall'altra estremità:

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Infine, concludo il capitolo sulla realizzazione con qualche immagine frontale:

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Con o senza lenti?

Le due plafoniere diffondono la luce in modo differente.

  • Con le lenti avremo dei fasci luminosi (che vanno allargandosi) concentrati solo nella vasca.
  • Senza lenti la diffusione è più ampia; la luce è meno concentrata e arriva anche un pò fuori dalla vasca.

La prima sensazione è che l'acquario, con la plafoniera senza lenti, sia più luminoso; le tonalità dei LED si mescolano meglio.
Quello con lenti presenta delle zone meno illuminate; se poi teniamo la plafoniera vicina all'acqua, distingueremo i singoli fasci luminosi.
Il fatto che sia meno luminoso, però, non vuol dire che non arrivi abbastanza luce, anzi.. questa è solo più concentrata e più forte in determinate zone.
Diminuendo l'angolo delle lenti, i fasci luminosi si restringono e si allungano (in acquari molto alti potremmo considerare lenti con gradazioni minori).

La plafoniera con lenti, quindi, deve essere posizionata più in alto rispetto a quella senza.
I LED senza lenti, alla vista, sono fastidiosi; possiamo pensare di inserire la base all'interno di un coperchio, oppure tenere la plafoniera bassa e aggiungere delle alette per parare la luce.

Le lenti da me utilizzate hanno un angolazione di 120 °, sono trasparenti ed opacizzate; questo fa si che la lente si illumini molto, soprattutto in prossimità della base dove c'è il bulbo del LED, facendo un effetto tipo lampadina.
Tutto ciò non dà fastidio alla vista.

Per sfruttare questo effetto, lo spessore della lastra dovrà essere più sottile possibile, comunque non bisogna superare i 2,5 mm. Con spessori superiori non si sfrutta al massimo la lente; l'acquario risulta meno luminoso.

lenti 1

 

Materiali: dove, come, quanto...

  • Pannelli vetro sintetico/plexiglas/polipropilene, profilati angolari, cavetti elettrici, colle e attrezzature varie... le trovate in qualsiasi centro per bricolage.

  • Tutto il restante materiale è stato acquistato in rete, non propongo link perchè ogni articolo è soggetto sempre a nuove offerte.
    Alla data di pubblicazione dell'articolo, i siti sono essenzialmente due: Aliexpress ed Ebay.
    Il primo è quasi sempre il più conveniente, ma vanno sempre confrontati. Comunque non è detto che non possiate trovare offerte migliori, su altri siti.

    - Le lenti le ho trovate in confezioni da 10 o 50 pezzi (ricercare "LED 3 W high power lens").
    Io ne ho comprate 50 a poco più di 7 euro.

    - I LED si possono comprare in qualsiasi quantità, generalmente vi sono offerte da 5 pezzi, da 10 o da 50.
    Se si vuole risparmiare ulteriormente, si possono comprare le basette di alluminio e i bulbi separatamente.

    - Resistenze in ceramica: generalmente lotti da 10 pezzi.
    Si trovano offerte per dieci resistenze da poco più di un euro a tre euro.

    - Centralina: circa 20 euro.

    - Dissipatori: ho trovato una buona offerta, di 50 pezzi, a poco meno di 15 euro.

    - Alimentatore: si trovano buone offerte anche su vari siti.

Sperando di essere stato esaustivo, vi invito a registrarvi sul forum di Acquariofilia Facile, per discutere eventuali problemi, sviluppi o miglioramenti.

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