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Questo articolo è stato scritto nel 2010. Sebbene le informazioni riportate sia ancora coerenti con la mia idea di "Illuminazione LED in Acquario", gli studi, le ricerche e le sperimentazioni effetuate al passo con la rapida evoluzione avuta dalla tecnologia LED mi hanno consentito di scrivere un libro sull'argomento, pubblicato il 17 giugno 2016 in versione EBook (".ePub" e ".mobi"): "LED, Penultima Frontiera - PilloLED per Acquariofili Intraprendenti". Il libro è disponibile in tutti gli ebook store, al costo irrisorio di € 4,99.

Ma vediamo cosa scrivevo già nel 2010. 

L'idea di sostituire le tradizionali tecnologie per la produzione di luce con quelle a tecnologia LED sta diventando una realtà sempre più conveniente ed a basso impatto ambientale, tanto che, già da qualche anno, qualcuno ha pensato bene di estendere questa rivoluzione anche al mondo dell'illuminazione degli acquari. Ma con quali risultati? Con quali garanzie? A quali prezzi?

Ad oggi è già conveniente? Vale la pena? Le prestazioni sono effettivamente all'altezza della pubblicità sollevata intorno a questa tecnologia? I LED sono adatti ad acquari con piante?
Cercheremo di dare una risposta a queste e molte altre domande. 

Personalmente uso i LED in acquario già da qualche anno, in alcuni casi già come componente principale del fotoperiodo (Nanocilindro) in altri solo come supporto al fotoperiodo principale (Rio-300, Nano Cubo) per funzionalità più d'effetto che di sostanza (effetti alba tramonto, luce notturna ecc.).

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Anche se il LED sono nati con lo scopo di essere delle "spie luminose" già da alcuni anni hanno iniziato ad essere considerati come le “lampadine del futuro”, tanto che oggi stanno letteralmente travolgendo il mercato (anche quello acquariologico)... forse anche troppo velocemente!

 

Cos'è un LED

La sigla “LED” è l'acronimo di Light Emitting Diode cioé "diodo" ad emissione luminosa.

Un "diodo" è un componente elettronico che fa passare la corrente elettrica o non la fa passare a seconda della polarità della tensione che gli viene applicata, in analogia all’interruttore di una stanza che viene spento o acceso (circuito aperto o chiuso).

I LED sono dei diodi un po’ particolari; infatti, quando vengono attraversati da una corrente elettrica, una parte di questa viene trasformata in luce.

I diodi LED sono anche dispositivi reversibili; incredibile ma vero, se vengono illuminati una parte della luce che raccolgono viene trasformata in energia elettrica (un esempio ne sono gli accoppiatori ottici).

I LED, come tutti i "diodi", sono costituiti principalmente da un semiconduttore (generalmente Silicio). Il semiconduttore una volta eliminate le naturali impurità, (con vari procedimenti industriali viene reso puro sino al 99,99%) viene di nuovo "inquinato" (in termine tecnico "drogato") con alcune  specifiche sostanze che gli attribuiscono delle particolari caratteristiche in relazione al tipo di drogaggio ricevuto:

Cambiando il materiale con cui viene drogato il semiconduttore, si ottengono ad esempio diversi colori della luce emessa, differenziandone ovviamente anche le caratteristiche elettriche:

 Drogaggio
 Note                                           
 Colore
 AlGaAs Alluminio e Arseniuro di Gallio
 rosso ed infrarosso
 GaAlP  Fosfuro di gallio e alluminio verde
 GaAsP Arseniuro di Gallio e fosforo
 rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo
 GaN Selenuiro di Zinco
 verde e blu
 GaP Fusfuro di Gallio
 rosso, giallo e verde
 ZnSe Seleniuro di Zinco blu
 InGaN Nitruro di Gallio e Indio
 blu-verde, blu
 InGaAlP  Indio e Arseniuro di Gallio e fosforo rosso-arancione, arancione, giallo e verde
 SiC Carburo di Silicio
 blu
 C Diamante  ultravioletto
 Si   Silicio-substrato blu (in sviluppo)
 Al2O3 Zaffiro blu 

Ma vediamo i punti di forza di questa tecnologia:

Aspetti Meccanici

  • Robustezza: insensibilità ad umidità e stress meccanici
  • Adattabilità: miniaturizzazione e flessibilità di installazione
  • Affidabilità: non richiedono complessi circuiti di alimentazione
  • Regolabilità: possibilità di variare facilmente il flusso luminoso prodotto (facilmente "dimmerabili")



Qualità della Luce

  • Accensione istantanea
  • Ampio margine per le temperature di esercizio (a freddo fino a -40°C)
  • Luce priva di componenti infrarosso (IR) ed ultravioletto (UV) (luce, quindi, che non favorisce le alghe a scapito delle piante)
  • Colori saturi
  • Possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme)
  • Assenza di radiazione luminosa posteriore (angolo da 4° a 160°)
  • Ampia disponibilità di colori della luce (senza l’uso di mascherine colorate).



Risparmio

  • Assenza di costi di manutenzione
  • Lunga Durata: alcuni LED possono arrivare sino a circa 50.000-100.000 ore di funzionamento
  • Durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti
  • Elevato rendimento: al confronto con altre tecnologie possono produrre "più luce" a parità di consumo di energia elettrica.


Sicurezza

  • Nessun rischio di folgorazione: lavorano a bassissima tensione (normalmente tra i 3VDC e 24 VDC) 

 

Vista in prospettiva lo sfruttamento di questa tecnologia anche in acquario apre dunque a valutazioni assai interessanti e l'argomento è certamente meritevole di adeguato approfondimento.

Lo scorso anno ho quindi proposto il tema nell'ambito della mia associazione acquariofila (Club Ittiologico Romano) avviando uno studio strutturato sulle reali potenzialità dell'applicazione di questa tecnologia in acquario. Abbiamo inizialmente dedicato all'argomento la "serata tematica CIR" del mese di Aprile 2010 ("LED Salati in Acqua Dolce"), dalla quale è scaturita la scelta di avviare una sperimentazione autofinanziata da alcuni dei membri dell'associazione.

Sempre sul portale associativo è possibile leggere gli approfondimenti scritti per la condivisione di un'analisi a 360 gradi fatta sull'argomento:

1 - Articolo introduttivo (LEGGI)
Premesse di base, tecnologie a confronto, analisi costi/benefici.

2 - Approccio progettuale Parte-1 (LEGGI)
Raccolta strutturata delle esigenze, analisi delle offerte del mercato e individuazione delle soluzioni che valuteremo essere più adatte (anche sotto l'aspetto tecnico/pratico oltre che quello prestazionale), sviluppo di un modello di progettazione con preventivi di spesa individuali, approfondimenti sulle Componenti Fitostimolanti, la temperatura della luce, LED per "Attinico", sistemi di alimentazione. Seguino le valutazione dei preventivi di spesa e la scelta definitiva dei componenti, quindi l'acquisto collettivo del materiale.

3 - Progettazione Operativa Parte-2 (LEGGI)
Progettazione pratica, realizzazione, installazione, osservazione per una rilevazione strutturata dei dati.

Prima di raccontare la mia personale esperienza, vi invito alla lettura degli articoli citati, pubblicati sul portale associativo, che sviluppano le interessanti premesse teorico/pratiche, indispensabili alla comprensione delle scelte economiche-prestazionali e progettuali che costituiscono la quota fondamentale del progetto di sperimentazione.

Quindi, dopo aver in tali articoli esplicitato alcuni degli aspetti a mio avviso fondamentali legati all'uso della tecnologia LED in acquario, nelle sue componenti più teoriche orientate all'analisi preventiva finalizzata all'individuazione della miglior soluzione adatta ai nostri scopi, nella quale ho definito e standardizzato l'approccio progettuale, siamo giunti ora a trattare l'argomento documentando i risvolti più pratici del progetto in relazione alla sperimentazione individuale. Svilupperò in questo articolo le componenti di una progettazione operativa considerando quegli ulteriori aspetti teorico-pratici finalizzati all'installazione dei LED nelle vasche, l'osservazione e la raccolta strutturata dei dati di riscontro.

 

Non basta dire LED

La scelta dei LED è fondamentale ed è subordinata alle esigenze di luce del biotipo di ogni vasca che si desidera illuminare. Non basta dire LED!

Vorrei riepilogare i punti più significativi emersi dalle valutazioni che sono state fatte (descritti negli articoli sopra citati) alla luce di centinaia di soluzioni LED vegliate per vari tipi di vasche.

Pochi e semplici punti di attenzione che ci aiuteranno e guideranno nella scelta dei LED e del modo più appropriato per installarli:

1) Non tutti i LED sono uguali:

  • non è detto che a parità di luce prodotta consumi meno una batteria di LED rispetto ad altre tecnologie luminose; dipende dai LED; dipende dagli alimentatori;
  • non basta dire luce bianca, occorre valutare bene lo spettro della batteria dei LED scelti.

2) Non è detto che i LED durino di più di altre soluzioni:

  • ci sono LED con un tempo di vita stimato in 10.000 ore, altri in 20.000 ed anche 30.000, 40.000, 50.000 sino a 100.000 - occorre scegliere bene i LED!
  • Il tempo di vita dei LED, oltre che dalkle indicazioni del produttore dipende da come questi verranno alimentati: occorre scegliere i giusti alimentatori!

3) Non è detto che i LED che abbiamo scelto possano resistere nell'ambiente fortemente umido di un acquario:

  • occorre scegliere batterie di LED perfettamente impermeabilizzate e garantite con classe IP68, o in alternativa
  • occorre prevedere un sistema di installazione che garantisca il totale isolamento tra i LED e l'ambiente umido della vasca.

4) Se abbiamo scelto LED in grado di produrre molta luce, questi tenderanno a surriscaldarsi; occorrerà, dunque, installarli in modo appropriato:

  • garantendo, da una parte, una corretta dissipazione del calore accumulato al fine di non danneggiarli,
  • evitando, dall'altra, un eccessivo surriscaldamento dell'acqua nella vasca (in inverno può aiutare, ma in estate è da evitare!) .

 

 

Sperimentiamo i LED: in quali Vasche?

Come ho già accennato utilizzo i LED in acquario già da alcuni anni, ma sino ad ora quasi esclusivamente come luce di supporto a quella del fotoperiodo principale gestito invece con altre tecnologie (es. T5, PL, ecc.).

Dopo quasi 4 anni di sperimentazione, posso affermare che i LED sono insostituibili nel gestire l'effetto alba/tramonto, oppure l'effetto luce lunare; certamente non solo a favore dell'estetica della vasca (come effetto scenografico è certamente bellissimo e molto suggestivo), ma anche per assolvere un ruolo funzionale, come per la gestione graduale del passaggio dalla luce al buio e viceversa, per accompagnare le forme di vita ospitate nell'acquario al buio della notte, per non tenere pressoché al buio la vasca durante il giorno negli orari lontani da fotoperiodo. Tutto questo i LED lo fanno egregiamente, senza incidere su fotoperiodo, senza incrementare la crescita delle alghe, con un ridottissimo consumo energetico.

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A parte la mini-sperimentazione già avvia in passato in un cilindro di vetro adibito ad acquario per sole piante acquatiche (leggi l'articolo "BabyAcquario: Il NanoCilindro"), quest'anno ho scelto di avviare una sperimentazione più articolata della tecnologia LED per il fotoperiodo, intesa come esclusiva fonte di luce per sostenere il fotoperiodo in acquario, su due vasche:

  1. la prima è stata ricavata da un cilindro di vetro (detto "mini-cilindro" più grande di quello già sperimentato) trasformato in uno spettacolare mini acquario di circa 2,8 litri netti,
  2. la seconda è una vaschetta da 30 litri (circa 24 litri netti, detta W30), già avviata da oltre 2 anni, nella quale i LED sostituiranno una fonte di luce tradizionale (oggi una plafoniera con lampada "PL" da 9W - 6500°K - posta all'esterno della superficie della vasca con l'interposizione di una lastra di policarbonato trasparente da 2mm).
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Avremo modo di vedere meglio queste vasche ma ora parliamo dei LED che ho scelto per loro:

Quali LED

I LED scelti ed acquistati per questa sperimentazione:

  1. Strip LED - Bianco Caldo (3800°K) (Triplo clip - 180 LED/metro)
  2. Strip LED - Bianco Freddo (5000°K) (Triplo clip - 180 LED/metro)
  3. Strip LED - Rosso (625nm) (Triplo clip - 60 LED/metro)
  4. Strip LED - Blu (470nm) (Triplo clip - 180 LED/metro)

ed alcune delle caratteristiche tecniche, che li accomunano, così come vengono dichiarate dal fornitore:

  • Alimentazione: 12V DC (corrente continua)
  • Classe impermeabilità: IP68 (realizzata tramite isolamento delle strisce LED con tubo in silicone "silica gel")
  • Durata media: 50.000 ore
  • Angolo di illuminazione: 120° (dichiarato uniforme dal fornitore)
  • Peso: 10g al metro (0.5g ogni singolo segmento da 5cm)
  • Minimo raggio di curvatura: 10mm
  • Nessuna emissione di UV, IR
  • Temperatura di esercizio: circa 40°C
  • Luminosità regolabile variando la tensione

Sulla carta tutto chiaro; una volto avuto a disposizione il materiare ho provveduto ad una verifica accurata dei LED ed in particolare alla misurazione delle principali grandezze elettriche che li caratterizzano. Riporto quindi caso per caso una breve descrizione delle caratteristiche effettive rilevate (talvolta diverse da quelle indicate dal fornitore):

 

1) Strip LED Bianco Caldo

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  • Numero led: 180 al metro (3 clip su ogni punto LED, tre LED ogni segmento da 5cm)
  • Potenza elettrica: 9W al metro (450mW per segmento da 5cm)
  • Assorbimento a 12V: 750mA al metro (37,5mA per segmento da 5cm)
  • Efficienza luminosa: 600 Lumen al metro (30 lumen per segmento da 5cm)
  • Colore: bianco "solare" puro a 3800°K (coordinate cromatiche x,y = 0.42, 0.40)
  • Dimensioni (larghezza, spessore): 10x2.5mm
  • Adesivo 3M sul retro della striscia (a tutti gli effetti inutile perchè la striscia è collocata all'interno del "silica gel" di protezione)

 

2) Strip LED Bianco Freddo

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  • Numero led: 180 al metro (3 clip su ogni punto LED, tre LED ogni segmento da 5cm)
  • Potenza elettrica: 12W al metro (720mW per segmento da 5cm)
  • Assorbimento a 12V: 1.2A al metro (60mA per segmento da 5cm)
  • Efficienza luminosa: 840 Lumen al metro (42 lumen per segmento da 5cm)
  • Colore: bianco "lunare" puro a 5000°K (coordinate cromatiche x,y = 0.31, 0.32)
  • Dimensioni (larghezza, spessore): 10x2.5 mm

 

3) Strip LED Rosso

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  • Numero led: 60 al metro (3 ogni segmento da 10cm)
  • Potenza elettrica: 6,4W al metro (640mW per segmento da 10cm)
  • Assorbimento a 12V: 530mA al metro (53mA per segmento da 10cm)
  • Efficienza luminosa: 120 Lumen al metro (12 lumen per segmento da 10cm)
  • Colore: Rosso puro (lunghezza d'onda dominante: 625nm)
  • Dimensioni (larghezza, spessore): 8x2.9 mm
  • Adesivo 3M sul retro della striscia (a tutti gli effetti inutile perchè la striscia è collocata all'interno del "silica gel" di protezione)

 

4) Strip LED Blu 

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  • Numero led: 180 al metro (3 clip su ogni punto LED, tre LED ogni segmento da 5cm)
  • Potenza elettrica: 13,2W al metro (660mW per segmento da 5cm)
  • Assorbimento a 12V: 1100mA al metro (55mA per segmento da 5cm)
  • Efficienza luminosa: 100 Lumen al metro (5 lumen per segmento da 5cm)
  • Colore: Blu puro (lunghezza d'onda dominante: 470nm)
  • Dimensioni (larghezza, spessore): 8x2.9 mm

 

In quasi tutti i casi dove ho rilevato differenze significative con i dati del fornitore, i valori effettivi risultano più performanti di quelli dichiarati.

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E' stata particolarmente interessante lo studio sullo spettro elettromagnetico della luce emessa da questi LED. Per averne una vista d'insieme della luce emessa da questa batteria di LED ne ho collocato i valori caratteristici  nel Diagramma Cromatico C.I.E. (LED Blu e Rossi) e nella Curva di Plank (Led Bianchi); se ne osserviamo una buona distribuzione, in linea di massima equilibrata e non sbilanciata:

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L'Impermeabilizzazione

L'impermeabilizzazione di tutte le strisce LED è ottenuta tramite un tubo di silicone (noto al mercato come "silica gel") a sezione rettangolare (le strisce LED scorrono all'interno del tubo protettivo).

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.

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 nativamente privi di un sistema di "impermeabilizzazione", ma ne consentono una efficacissima protezione all'azione dell'acqua, mantenendo inalterate nel tempo imporrtanti caratteristiche come la trasparenza e la necessaria capacità di contribuire alla dissipazione termica dei LED!

Queste strisce vengono prodotte di varie dimensioni/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 disponibili sul mercato.

 

Come Alimentarli

Ho scelto principalmente di due modelli di alimentatore, entrambi di tipo swiching stabilizzati, uno totalmente impermeabilizzato IP68 da 12Vcc - 10W e l'altro 12Vcc - 18W

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Dai primi test gli alimentatori hanno mantenuto ognuna delle aspettative, dimostrando stabilità ed affidabilità anche in condizioni critiche come brevi cortocircuiti ecc.

La tensione di alimentazione erogata si mantiene sempre costante a 12Volt (circa 12,2Vcc senza carico) con variazioni irrisorie al variare del carico (che è stato portato in test sino a circa il 60% del valore massimo dichiarato).

 

 

Preparazione dei LED: tagli, cablaggi, impermeabilizzazione e test

Com'è noto le strisce LED possono essere tagliate ogni 5 o 10 cm (a seconda del tipo di LED) ed adattate alla larghezza delle vasche, secondo specifiche pianificate. Seguendo la pianificazione dei dei tagli, tutte le strisce LED acquistate sono state segmentate secondo necessità! Allo scopo ho usato semplicemente un paio di forbici da elettricista (ben affilate)! 

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Come da norma ho provveduto a pulire i contatti elettrici prima della saldatura. Infatti questi potrebbero essere coperti da un leggero strato di ossido o lacche protettive che interferiscono con le operazioni di saldatura. Dopo la pulizia (che in effetti è risultata non necessaria) ho provveduto a "pre-stagnare" tutti i contatti: i reofori dei  cavetti elettrici e le 4 piazzole di contatto delle piste flessibili dove sono fissati i LED.

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Come si vede dalle immagini i LED a triplo clip consentono una gestione indipendente di ognuna delle tre fonti luminose presenti nell'unità LED. Ogni segmento da 5cm (da 10 cm quello dei LED rossi) è indipendente e contiene tre unità LED. Per i miei scopi non è necessaria una gestione indipendente dei singoli clip, quindi ho cortocircuitati tra loro: ogni cavetto di alimentazione è stato connesso saldando il positivo sulla linea comune ed il negativo in modo da "ponticellare" tutti gli altri 3 contatti.

Questi 3 contatti sono identificati con R, G, B in quanto le striscie-base sono di tipo standard, native per i sistemi a LED noti come "cambiacolore", dove ad ognuna delle tre clip corrisponde uno dei colori primari RGB.

Saldature "lucide" e "robuste" realizzate con un piccolo saldatore da 16W accessoriato con punta per microelettronica e stagno di buona qualità, sono state le chiavi vincenti per condurre al meglio un'operazione certamente semplice, ma che è fondamentale effettuare bene in relazione delle successive manipolazioni che subiranno le connessioni (impermeabilizzazione) e tutti gli anni che dovranno resistere in acquario, visto la lunga vita che ci si attende (mediamente tra i 12 ed i 18 anni - in funzione del numero di ore giornaliere di esercizio).

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Gli elementi fondamentali per una buona impermeabilizzazione dei punti di connessione elettrica nonchè dell'estremità opposta aperta del tubo protettivo in silicone sono certamente del buon il silicone acetico trasparente (rigorosamente privo di sostanze antimuffa), della guaina termirestringente di sezione adeguata, nonchè tanta tanta attenzione!

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Pur essendo anche questa un'attività semplice deve essere condotta con estrema attenzione, non solo pe evitare possibili infiltrazioni all'interno del tubo protettivo, ma anche per rafforzare la resistenza meccanica delle connessioni.

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Prima di fissare definitivamente le strisce LED così cablate, sul supporto che le ospiterà sino alla fine dei loro giorni, ho preferito fare un test direttamente in acqua.

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Il primo test è andato benissimo dal punto di vista dell'impermeabilizzazione, dell'affidabilità delle connessioni elettriche, e della loro resistenza meccanica.

 

 

Dove collocarli

Ora che le strisce LED sono pronte, tagliate a misura, saldate ai cavetti elettrici e adeguatamente sigillate, occorre stabilire in che punto collocarle, in che sequenza attaccarle e come attaccarle!

A di là delle problematiche tecnico/operative che affronteremo più avanti, i punti aperti sono fondamentalmente tre:

  1. scegliere la sequanza più opportuna di posizionamento delle strisce LED
  2. scegliere la giusta distanza dei LED sia dai bordi della vasca che dal pelo della superficie dell'acqua
  3. scegliere il materiale di supporto e la più idonea tecnica di fissaggio

Ovviamente, come in tutte le cose, si può fare a caso, osservare i risultati, e semmai correggere per aggiustamenti successivi, oppure provare a ragionarci un pò su e partire con un posizionamento ragionato.
Io preferisco usare la seconda modalità, anche perchè offre la possibilità di rispolverare antiche reminiscenze di studi di gioventù: anche in questo caso aggiustamenti successivi sono, comunque, sempre possibili, ma ragionevolmente minimali, anche se è sempre bene non dimenticare che tra la teoria e la pratica c'è sempre "un qualcosa" di cui non siamo riusciti a tener conto.

Della serie nulla è per caso:

SEQUENZA

Per decidere la sequenza delle strisce LED avviamoci a fare alcune considerazioni di base.

Dall'esperienza con i sistemi di illuminazione tradizionali, le fonti a luce calda (temperatura di colore inferiore a 4000°K) vengono notoriamente posizionati verso lo sfondo della vasca, mentre quella a luce più fredda più in primo piano. Una luce più calda ha delle componenti più forti di giallo e di rosso, che sonno quelle più fortemente attenuate dall'acqua! E' ragionevole, quindi, porre le fonti di luce con uno spettro più orientato vereso queste componenti, verso lo sfondo, dove notoriamente vengono collocate le piante più alte, che riusciranno quindi a raccoglere tale luce già nei primi centimentri dal pelo dell'acqua, prima che questa venga assorbita viana via che attraversa la colonna d'acqua verticale verso il basso!
Diversamente una luce bianca fredda (temperatura di colore superiore a 5000°K), notoriamente nelle configurazioni standard delle vasche, viene posizionata più verso il vetro frontale della vasca, proprio perchè più vicina a quella parte dello spettro che meno risente dell'effetto filtrante della colonna d'acqua, riuscendo a raggiungere in buona parte il fondo in primo piano dove sono collocate piante basse, enfatizzando i colori più vicini al verde/blu.
 
Quindi i LED a luce bianca calda ((temperatura di colore inferiore a 3.800°K) potranno essere più proficuamente collocati verso lo sfondo, mentre quelli a luce bianca fredda ((temperatura di colore inferiore a 5000°K), più verso il primo piano. 

Anche i LED Rossi con i quali ci garantiamo un rinforzo alla componente foto-stimolante più vicina all'infrarosso (lunghezza d'onda 625nm) seguiranno più la regola della luce calda.

Un discorso a parte per i LED a luce Blu (lunghezza d'onda 470nm); questi infatti hanno una duplice funzione:
  • integrare la componente foto-stimolante (durante il fotoperiodo) e
  • gestire l'effetto luce lunare per una funzione prevalentemente estetica, dopo il fotoperiodo.
Dal momento che la luce blu è quella che meno subisce l'assorbimento del "mezzo" durante il transito attraversamento della colonna d'acqua, in base a quanto precedentemente detto, dovrebbe poter essere collocata in corrispondenza del punto con maggiore distanza dal fondo. Più in generale potrebbe essere posta indifferentemente in qualsiasi punto della vasca.
In effetti dalla sperimentazione già avviata su altre vasche sull'utilizzo dei LED blu come "luce lunare" ho potuto constatare che il miglior effetto si ottiene posizionando i LED più vicino allo sfondo della vasca! L'effetto è certamente quello più naturale e suggestivo che non posizionandolo in primo piano, dove invece produrrebbe un (forse poco gradevole ed artificioso) effetto di luce blu lattiginoso ed assai saturo, specie se l'acqua non è perfettamente cristallina! 

 

Detto ciò, anche in relazione alla forma ed alla dimensione di ogni vasca, la sequenza che ho scelto per il posizionamento delle strisce LED è (partendo dal vetro frontale andando via via verso lo sfondo):

Vasca Cilindrica:

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  1. Rosso
  2. Bianco Freddo + Bianco Caldo
  3. Blu

 

 

 

 

 

 

 

Vasca Parallelepipeda:

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  1. Bianco Freddo
  2. Rosso
  3. Bianco Freddo
  4. Bianco Caldo
  5. Blu

 

 

 

 

 

 

 

DISTANZE

Non è solo necessario riuscire ad infilare le strisce LED nella vasca, tagliandole adeguatamente a misura! Sarà bene infatti ottimizzare il flusso luminoso, posizionando i LED nei punti appropriati, tenendo conto, soprattutto della rifrazione.

Per decidere le giuste distanze tra i punti di emissione della luce ed il pelo dell'acqua nonché dai bordi della vasca, occorre tener conto di quel che sarà l'effetto della rifrazione sul flusso luminoso emesso dai nostri LED.

Può sembrare una cosa ovvia, ma al di la della libertà di manovra che si possa avere o meno in una piccola vasca, il loro posizionamento non può essere del tutto casuale. Oltre a quanto già detto valutando il punto precedente, ci sono delle interessanti speculazioni matematiche che possono essere fatte studiando l'effetto della rifrazione sul fascio di luce emesso dai nostri LED.
Nel nostro caso andremo a valutare (e a dimensionare) questo effetto sia per la luce che attraverserà la zona d'aria sopra all'acqua, sia nell'acqua stessa, dalla superficie sino al fondo.
 
Il gioco è questo, ogni LED emette un flusso luminoso con un'apertura di 120°; cioè 60° rispetto alla propria perpendicolare. Prosegue con questo angolazione, allargando il cono di luce progressivamente, sino a raggiungere la superficie di contatto aria-acqua. A questo punto cambiando l'indice di rifrazione del secondo mezzo (acqua), l'angolo di inclinazione della luce subirà una modifica e la luce procederà diffondendosi nel secondo mezzo, con un angolo diverso (nello specifico più stretto), sino a raggiungere (in una visione teorica) il fondo della nostra vasca.
 
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Il compito è quello di valutare, in relazione a questi angoli ed all'altezza della colonna d'acqua, quale sia la più opportuna distanza dal bordo della fonte di luce, tale da non uscire o disperdere la maggior parte di luce sulle pareti della vasca.

Per calcolare matematicamente quel che ci serve, esiste una semplice formula che in base alla legge di Snell descrive di quanto i raggi luminosi vengono deviati quando passano da un "mezzo" (l'aria nel nostro caso) ad un altro (l'acqua nel nostro caso).

Se il raggio proviene da una regione con indice di rifrazione n1 ed entra in un mezzo avente indice n2 gli angolo di incidenza alfa e di rifrazione beta sono legati dall'espressione:

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Ho tradotto questa semplice regola in un comodissimo foglio excel (a disposizione degli utenti registrati presso l'apposita sezione DOWNLOAD), di cui riporto in questa pagina il calcolo ed i risultati utili per la mia progettazione: 

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In pratica l'angolo di apertura del fascio luminoso passa da 120° (in aria - 60° rispetto all'asse ortogonale) ad 82° (in acqua - 41° rispetto all'asse ortogonale.

Facendo qualche calcolo con il foglio excel, impostando:

  1. Angolo di emissione dei LED (dall'asse verticale) = 60°,
  2. Altezza tra i LED e la superficie dell'acqua = 2,5 cm (h1)
  3. Altezza effettiva della colonna d'acqua (dalla superficie al substrato) = 19 cm (h2)

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otteniamo che la distanza ideale tra i LED ed il bordo della vasca è di circa 20 cm (L1 = L2) , cioè la distanza minima oltre la quale il cono di luce colpirà anche le pareti verticali della vasca.

Modificando arbitrariamente le due distanze è possibile adattare il modello di calcolo a qualsiasi tipo di vasca e di situazione.

E' pur vero che, sempre per effetto dell'allargamento del fascio luminoso, non tutta la luce che viene proiettata sulle pareti verticali della vasca andrà persa. Infatti, per effetto della riflessione sulle pareti laterali dell'acquario, in relazione all'angolo di incidenza del raggio luminoso, solo una parte della luce fuoriesce dalla vasca, mentre la gran parte viene invece riflessa all'interno.

Questo però favorirà inevitabilmente il ben noto fenomeno della proliferazione delle alghe che attecchiscono direttamente sulla superficie dei vetri verticali, innescando meccanismi di progressiva riduzione dell'effetto riflettente e maggiore assorbimento della luce dalla superfici sempre più opache dei vetri, favorendo la crescita delle alghe (e non solo)! Basta infatti raschiare una piccola porzione di vetro ed osservarla ingrandita tramite un normale microscopio ottico per rendersi conto di quanta vita si riesca a stanziarsi direttamente sulle superfici dei vetri verticali. Eccone un esempio:

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Quindi, con ragionevole ed inevitabile compromesso tra le dimensioni della vasca e quelle delle strisce LED, cercando di utilizzare al meglio le indicazioni fornite dallo strumento di calcolo, ho definito i punti più opportuni dove collocare i LED: ovviamente centrali per la mini-vasca cilindrica e leggermente decentrati per quella a forma di parallelepipedo. 

 

 

Il SUPPORTO per il LED

Tante ne abbiamo provate tra supporti di Policarbonato, PVC vari e Polionduline, e vari; il miglior supporto dove applicare i nostri LED risulta però essere l'alluminio! Leggero, duttile, resistente all'ossidazione (soprattutto in acqua salata), ma, soprattutto, termoconduttore.

Infatti, dissipando così tanta potenza elettrica in pochissimo spazio, questi LED scaldano... e non poco!

I LED sono costruiti per lavorare anche a temperatura elevata, ed l'involucro in "silica gel" con il quale sono impermeabilizzati in classe IP68, oltre a proteggerli egregiamente da acqua e umidità, consente una buona dissipazione termica. Nelle varie sperimentazioni si è visto che i supporti in PVC o Policarbonato tendono a flettersi ed il silicone, con il quale sono applicati, a staccarsi. Inoltre, sopratutto nelle vasche chiuse, questo fenomeno di dissipazione termica rischia di surriscaldare troppo l'acqua, specie durante la stagione estiva!

La mia soluzione finale finale è stata quella di non attaccare MAI direttamente i LED sul coperchio delle vasche! 

Al di là del supporto, la soluzione che ho adottato è stata quella di applicare, tramite del silicone acetico, le strisce LED al supporto scelto (nel mio caso dei profilati di "alluminio" per la vasca più grande ed una basetta di "Poliondulene" per quella più piccola. Il supporto viene poi attaccato al punto di ancoraggio (coperchio o  altro) con altra tecnica removibile: dello velcro, viti, binari scorrevoli. La soluzione del Velcro l'ho adottata per collocare il piccolo supporto in poliondulene all'interno del coperchio del Nanocilindro, dove , anche per attaccare il Velcro ho usato sempre del silicone acetico. Questa modalità è alquanto comoda perchè consente ampi margini di manovra sia per apportare piccole modifiche alla posizione delle batteria dei LED rispetto alla vasca, che di rimuovere comodamente dalla vasca il "gruppo luci LED" per lavorarci più comodamente lontano dall'acqua per qualsiasi operazione anche di manutenzione.

 

IL MINICILINDRO

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LA VASCA PARALLELEPIPEDA da 30litri
 
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Proprio dopo avere a lungo sperimentato l'utilizzo dei LED nel Minicilindro ed averne toccato con mano le caratteristiche "termiche" ho maturato la scelta di montare la piastra LED preparata per la W30 non più sotto il coperchio in policarbonato, bensì sopra, al di fuori della vasca. L'attenuazione della luce per cia del policarbonato trasparente da 2 mm è irrilevante: basta aver cura di tenerlo pulito di tanto in tanto! 

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Vediamo come è cambiato l'effetto luci con l'utilizzo della nuova piastra LED in sostituzione della vecchia e minimale plafoniera con lampada PL da 9W con temperatura di colore di 6500°K.

Questa la vasca illuminata dalla PL:

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Lampada PL 9W - 6500°K 

Ecco invece l'effetto sostituendo la vecchia plafoniera con la nuova piastra LED:

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LED BIANCO FREDDO (5000°K) / 30+30cm / 504 lm / 7,2 Watt

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LED BIANCO CALDO (3800°K) / 30cm / 180 lm / 2,7 Watt

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LED ROSSO (625 nm) / 30cm / 36 lm / 1,9 Watt

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LED BLU (470nm) / 30cm / 30 lm / 4 Watt

 

Ed ecco le varie combinazioni:

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Al di la di quanto possano rendere le foto, l'effetto estetico è strabiliante! Le piante crescono bene e di più (data la quantità di luce maggiore), e, soprattutto, niente alghe, su nessuna delle vasche illuminata a LED!

Sono assai soddisfatto del risultato. L'unico problema riscontrato solo nel Minicilindro, dove i LED si trovano a pochi centimetri dall'acqua, sotto il coperchio, è il forte innalzamento della temperatura, specaelmente nel periodo estivo!

La scelta di aver collocato la piastra LED in alluminio della W30 fuori dalla vasca, nell'irntercapedibne d'aria tra il coperchio n policarbonato della vaschetta e il piano del mobile Rio-300 dovè posta la vasca grande, è stata vincente! Infatti sulla piastra, diopo 5 ore di accensione, ho misurato una temperatura di 42°C. Certamente non poca, comunque al di sotto della loro temperatura d'esercizio (il supporto in alluminio è stata un'altra scelta vincente per la dissipazione del calore). Fortunatamente questo calore non sasrà ceduto all'acqua nella vasca, se non in parte veramente minima!

Intanto, in attesa della prossima estate penserò ad una modifica strutturale del coperchio del Minicilindro, che consenta di dissipare il calore prodotto dai LED, al di fuori della vasca, e non direttamente all'acqua: la scorsa estate ho misurato sino a ben 30/32°C!

 

Conclusioni

 

Non vi è dubbio che la tecnologia LED è una risorsa importante destinata nei prossimi anni sostituire ogni altro modo di "fare luce", negli acquari, così come  i ogni dove!

E' una tecnologia in movimento, sia per quanto riguarda l'evoluzione tecnologica che spingerà i LED a rendimenti eccezionali (centinaia di lumen prodotti consumando un solo watt - sino a 2 anni fà si aspirava a raggiungere rendimenti fantascientifici di 200lm/W, ma già oggi si pensa di poter raggiungere ben 400lm/W). I progressi la tecnologia LED li farà soprattutto dal punto di vista economico, già all'inizio del 2012, rispetto alle analisi effettuate solo poco più di un anno fà,le prestazioni dei LED sono notevolemnte aumentate, ma soprattutto i prezzi, sono scesi vorticosamente con la loro diffusione!

Anche dal punto di vista della documentazione, oggi, diversamente da un anno fà, è sempre più difficile trovare LED non accompagnai da specifiche tecniche ben documentate! Chi ancora non lo fa è bene si aggiorni se vuole restare sul mercato! Documetare le caratteristiche di ciò che si vende dovrebbe essere la regola, non l'eccezione!

 

Tanto per fare un esempio, ho da poco acquistato on-line una serie di piccoli LED di potenza, da 3W, spendendo appena pochi euro, completi del loro sistema di alimentazione individuale (inverter swiching miniaturizzati, stabilizzati in corrente). Tutto rigorosamente bel documentato! Inoltre, strumenti alla mano, le caratteristiche dei dispositivi erano coerenti alle specifiche tecniche riportate al moneto dell'acquisto!

Con pochissimo di più l'amico Raffaele ha acquistato un modello di LED da 20W ed ecco l'effetto che fa in una foto scatta durante una prova che abbiamo fatto d sulla mia vasca da 300lt:

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L'effetto è sbalorditivo! Con un solo LED si illumina oltre metà della zona anteriore della vasca! 4 LED la illuminerebbero tutta... spendendo poche decine di euro in tutto! Da farci un pensiero!

 

Diversamente dalle strisce LED, questi sono LED, una volta saldati, vanno montati su dissipatori termici, adeguati alla potenza dei LED che devono supportare, necessariamente utilizzando della pasta termoconduttiva. Inoltre vanno adeguatamente protetti dal contatto con l'acqua! Occorre quindi uno sforzo in più, sia in termini progettuali che di messa in uso!

Sono reperibili con potenze cha vanno da 1W, 3W, 10W, 20W, 50 Watt, ecc. con diverse temperature di colore da 2.700°K a 20.000°K e colori (Rosso e Blu, ecc.).

non mancherò di aggironare i graditi lettori di questo blog sulle successive sperimentazioni di questa tecnologia!

 

By ValerioSub

 

Ultimo aggiornamento 20 Agosto 2016  

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