LED in acquario

Scritto da Diego, Luigidrumz e Scheccia il . Postato in Tecnica in acquario

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Nozioni pratiche sui LED


Mettiamo di seguito alcune nozioni utili, per chi volesse sperimentare.
I LED si caratterizzano per le seguenti caratteristiche principali:

  • Colore
  • Indice di resa cromatica
  • Alimentazione
  • Flusso luminoso
  • Angolo di vista
  • Temperatura di funzionamento

Faremo, inoltre, alcune considerazioni sulla temperatura di funzionamento e sul numero di LED da installare.
Tutte queste informazioni sono normalmente disponibili nella scheda tecnica (datasheet, in inglese) o scritte sulla confezione.


Avvertenze

Lo Staff di Acquariofilia facile ricorda ai lettori che la corrente elettrica, storicamente, ha sempre prodotto un alto numero di incidenti domestici, talvolta drammatici.
Le normative vigenti sono abbastanza ridondanti, in materia di sicurezza, tuttavia è sempre possibile che i nostri articoli vengano messi in atto da persone con scarsa competenza tecnica, oppure in abitazioni con impianti elettrici obsoleti, difettosi o illegali.

Lo Staff, nonché gli autori degli articoli, declinano pertanto ogni responsabilità su qualsiasi problema derivante dalla loro attuazione, in tutte le proposte di modifica che riguardano componenti elettrici.


 

Il colore del LED

Solitamente, la colorazione dei LED monocromatici è indicata sulla confezione o sulla scheda tecnica, sia con il nome del colore, sia come equivalente lunghezza d'onda.
Ad esempio, potremmo leggere qualcosa come LED verde, 520 nm.

Per i LED RGB solitamente è indicata la sigla RGB o Multicolor.


Esistono inoltre i LED RGBW che consistono nell'unione di un LED RGB con un LED bianco (da cui la W, da White, bianco). Questi LED ottengono i vari colori per miscelazione additiva mentre il bianco viene ottenuto accendendo solo il chip bianco, il quale funziona per fotoluminescenza.

Per i LED bianchi, infine, di norma viene fornita una descrizione della tipologia di bianco, talvolta abbinata con la temperatura di colore.
Purtroppo non c'è una convenzione fra i vari produttori, dunque consigliamo di controllare la temperatura di colore, piuttosto della descrizione a parole.
Segnaliamo comunque quelle più diffuse:

  • Warm white - Bianco caldo - 3000 K circa
  • Daylight/Natural white - Luce del giorno/Bianco naturale - 4500 K circa
  • Cool white - Bianco freddo - 6000 K circa
  • Blue sky - Bianco ghiaccio - 9000 K circa.

 

Indice di resa cromatica

L'indice di resa cromatica, spesso indicato con la sigla CRI (dall'inglese Color Rendering Index), descrive quanto naturale appare il colore di un oggetto illuminato da una lampada.

Sebbene il CRI non sia solitamente interessante per l'acquariofilo, coi LED ci può dare indirettamente qualche informazione. Vediamo intanto di cosa si tratta.

Senza entrare nei dettagli (sarebbero necessarie nozioni quali la teoria del corpo nero e dello spazio dei colori) , una lampada ad incandescenza ha un CRI pari al 100%, ovvero i colori degli oggetti da essa illuminati sono corrispondenti ai naturali.

Le lampade fluorescenti hanno, invece, un CRI variabile dal 50-60% (lampade monofosfòro), al 75-80% (lampade trifosfòro, CFL) fino a raggiungere anche il 90% e oltre con le più costose lampade al pentafosfòro di recente generazione.

I LED, infine, possono avere un CRI molto variabile, solitamente compreso tra il 70% e il 98%.

Da questa variabilità possiamo indirettamente ricavare come sia, qualitativamente, lo spettro dei LED.
Poiché un alto CRI corrisponde a quello delle lampade ad incandescenza (o ad una lampada al pentafosfòro), che hanno uno spettro continuo e con una componente giallo-rossa abbastanza significativa, se i LED in esame hanno alto CRI, la loro componente giallo-rossa è più elevata rispetto a quella dei LED a basso CRI.

In precedenza avevamo visto che i LED hanno generalmente poca componente giallo-rossa, che causa maggiore difficoltà con la coltivazione di piante esigenti.
Questo significa, quindi, che abbiamo questo parametro a disposizione per scegliere i LED che hanno una componente giallo-rossa un po' più alta, aumentandone la resa con le piante.

Indicativamente, per l'acquario, sono consigliabili LED bianchi con CRI maggiore dell'85%.

 

Alimentazione dei LED

I LED vanno alimentati fornendo loro una corrente costante.
Ciò significa che abbiamo bisogno di qualcosa che generi una corrente di valore fisso, sempre nello stesso verso.
Possiamo ottenerla prendendo un generatore di tensione (come una batteria o un alimentatore) e mettendo in serie un resistore di valore appropriato.
Mostriamo lo schema base di alimentazione di un LED.


Il valore appropriato di questa resistenza si può calcolare con la seguente formula...

Regola per il calcolo della resistenza serie LED

...dove la tensione di alimentazione è scritta sull’alimentatore, mentre la tensione di giunzione e la corrente richiesta sono scritte sulla scheda tecnica del LED.
Ne mettiamo un esempio:

Esempio di scheda tecnicaEsempio di scheda tecnica di un LED, dove evidenziamo la corrente di alimentazione (20 mA), la caduta ai capi del diodo (3.2 V) e la temperatura operativa (massimo 95°C).

Nel caso questi due dati non fossero scritti, i valori medi e di prudenza sono, rispettivamente, 2 V e 15 mA.

 Esempio

Vogliamo alimentare un LED ignoto usando un alimentatore da 5 V.
Siccome non sappiamo i dati specifici di questo LED, usiamo i valori generici.
La resistenza necessaria sarà pari a:

Esempio calcolo resistenza serie

Se non abbiamo la resistenza del valore giusto, a disposizione, possiamo prendere quella con il valore maggiore più vicino, ovvero quella da 220 ohm, in questo caso.
Non ci resta che costruire il nostro circuito e accendere il LED:

Circuito LEDCircuito per accendere il LED ignoto.

Spesso capita di trovare i LED con già integrate le resistenze. L'esempio più diffuso sono le strisce LED vendute in bobine o già inserite dentro a dei tubi.
In questo caso, il calcolo delle resistenze non è necessario: è richiesto solo di fornire una tensione fissata e una sufficiente corrente. Il produttore ha già messo le resistenze giuste, alla luce della tensione di alimentazione da fornire.
Ad esempio, le strisce in bobina con LED, di norma, richiedono un’alimentazione a 12 o 24 volt, mentre la corrente minima da fornire va derivata, se non specificato, dalla potenza in watt della striscia, per mezzo delle relazioni:

Potenza = tensione x correntePer questioni di efficienza dell'alimentatore, conviene collegare ad esso un carico intorno al 60% della sua capacità.

Esempio

Supponiamo di avere una striscia a 12 V che consuma 24 W: dalla relazione, otteniamo che è necessario un alimentatore da almeno 2 A; avremo la massima efficienza usandone uno da circa 3 A.

Attenzione! I LED sono componenti elettronici polarizzati: ciò significa che hanno un dritto e un rovescio. È perciò importante connetterli nel verso giusto.
Di norma, sulle strisce LED SMD e sui LED ad alta potenza sono indicati i poli, positivo e negativo, con delle serigrafie accanto alle piazzole a saldare.
Sui LED con reofori, il piedino più lungo è quello positivo. Se i piedini sono stati tagliati, talvolta c’è una piccola tacca sul lato del piedino negativo.

In alternativa all'alimentazione sopra descritta, esistono apposite centraline, talvolta programmabili attraverso un computer, che consentono di controllare uno o più circuiti con LED; consentendo anche di aumentarne gradualmente la luminosità, per ottenere effetti di alba e tramonto.

Quattro LED uguali controllati in PWMQuattro LED uguali emettono potenze luminose diverse, se comandati con un'opportuna centralina, che può fornire correnti diverse ai LED.

In tal caso, è necessario controllare la corrispondenza tra tensione fornita dalla centralina e tensione richiesta dai tubi/strisce LED; inoltre, che la centralina abbia potenza sufficiente per controllare i LED collegati.

Flusso luminoso

Il flusso luminoso misura l’intensità della luce, com'è percepita dall’occhio umano.
Non rappresenta tutto il flusso irradiato da una sorgente, poiché il calcolo tiene conto della sensibilità dell’occhio umano alle varie lunghezze d’onda.
Per esempio, nel flusso luminoso non vengono considerate le componenti infrarosse e ultraviolette, mentre viene dato peso maggiore alle frequenze attorno al giallo.
Il flusso si misura in lumen (simbolo lm).

Un modo per utilizzare questo dato è quello di comparare il rapporto lumen/watt, ovvero, a parità di potenza (watt consumati) e temperatura di colore, è più efficiente una fonte luminosa che produce più lumen.

Indicativamente, questi sono i rapporti per varie sorgenti luminose (alcuni valori sono dati per curiosità):

  • Candela: 0.2 lumen/watt
  • Reticelle Auer (lampade a gas da campeggio): 1-2 lumen/watt
  • Lampadina ad incandescenza: 10-15 lumen/watt
  • Lampadina alogena: 20-25 lumen/watt
  • Lampada ai vapori di alogenuri metallici: 60-110 lumen/watt
  • Lampada fluorescente compatta (CFL): 50-75 lumen/watt
  • Lampada fluorescente tubolare: 70-90 lumen/watt
  • LED: 30-200 lumen/watt
  • Massimo teorico per i LED: 300 lumen/watt
  • Massimo teorico assoluto: 683 lumen/watt

Come si può notare, per i LED abbiamo un variabilità dell’efficienza molto alta: alcuni LED possono essere meno efficienti di una lampada fluorescente, altri possono essere oltre 3 volte più efficienti.
Alla data di questo articolo, i LED di buona qualità hanno un’efficienza luminosa attorno ai 120-150 lumen/watt, quelli di alta fascia attorno ai 200 lumen/watt.
Purtroppo, non è raro trovare LED con efficienza molto bassa: è possibile trovarne diffusamente con un’efficienza attorno ai 40-50 lumen/watt... e ad un prezzo tale da non suscitare sospetti di una così bassa qualità.

Angolo di vista

L’angolo di vista consiste nell’ampiezza del cono di luce generata dal singolo LED.
A parità di potenza, quindi, un angolo di vista minore implica una maggiore concentrazione del fascio luminoso.

Esistono in commercio delle lenti applicabili ai LED, che consentono di allargare o ridurre l’angolo di vista del LED originale.
In acquario, si possono usare lenti che concentrano il fascio luminoso, per farlo arrivare più in profondità.
Al contrario, se notiamo che la luce prodotta è troppo puntiforme, si possono usare delle lenti che allargano il fascio luminoso.

Temperatura di funzionamento

Non si tratta propriamente di un dato tecnico vero e proprio, ma riteniamo utile fare una breve riflessione a riguardo.

I LED sono componenti a semiconduttore e la loro vita dipende, in maniera inversa, dalla temperatura funzionamento.
Più li facciamo lavorare caldi, meno vita utile avranno; viceversa, se li raffreddiamo opportunamente, avranno una vita più lunga.

Solitamente i LED vengono raffreddati ponendoli a contatto con superfici metalliche o dissipatori; se sono disposti in numero concentrato, o sono ad alta potenza, potrebbe essere necessario raffreddarli in maniera forzata, usando anche ventole, oltre ai dissipatori.

Vedremo un esempio di raffreddamento applicato alla plafoniera costruita come esempio.

Quanti LED sono necessari per il mio acquario?

Facciamo alcune considerazioni sulla potenza necessaria da installare negli acquari.
Come abbiamo visto, il rendimento di un LED è molto variabile; bisogna quindi considerare vari parametri, per determinarne il numero ed il tipo da installare.
Infatti, un tubo fluorescente è sempre un cilindro, con una data lunghezza che corrisponde ad un'unica potenza, mentre a quella potenza corrisponde un flusso quasi costante.
Per i LED non è così.

Consigliamo, pertanto, di non guardare tanto la potenza installata, ma di tenere in considerazione il numero di lumen prodotti.
Facendo un confronto con le lampade fluorescenti e considerando un acquario di dimensioni e profondità medie, abbiamo la seguente equivalenza:

  • 20 lumen/litro corrispondono a circa 0.3 watt/litro di lampade fluorescenti
  • 40 lumen/litro corrispondono a circa 0.6 watt/litro di lampade fluorescenti
  • 70 lumen/litro corrispondono a circa 1 watt/litro di lampade fluorescenti

Attenzione: si tratta di calcoli approssimati, giusto per dare un'idea.
Molti fattori vanno presi in considerazione, come ad esempio la qualità dei LED, la posizione dei LED, l'uso di lenti, la profondità dell'acquario, le temperature di colore dei LED e la presenza di piante più o meno esigenti.

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