La tecnologia dei LED in acquario

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Fiore di Maracuja

Posted on 29/12/2017, 22:04

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Cari ragazzi, per anni ho trascurato l'argomento LED perché quando ho cominciato con l'acquariofilia non esistevano in ambito acquaristico, ma ora mi rendo conto che non sapere nulla di questa nuova generazione di lampade mi limita molto. Ci stiamo evolvendo, e il LED è una tecnologia estremamente interessante che ha trovato applicazione in moltissimi campi (io per prima ho sostituito tutte le lampadine di casa con lampadine a led e la differenza sulla bolletta si sente!) tra cui l'acquariofilia, in cui si rende una validissima alternativa ai ben più dispendiosi neon sia per consumi, che per sostituzione (i neon vanno sostituiti all'incirca una volta l'anno, i led hanno una durata di vita molto lunga).
Di seguito esporrò una breve guida al funzionamento e alla scelta dei led per acquari di acqua dolce. Se il vostro è un acquario marino, alcune delle seguenti indicazioni potrebbero non essere corrette per voi!
Se alcune parti vi risultano difficili da comprendere, vi lascio i link che riportano a pagine di dominio pubblico con le spiegazioni.

Introduzione al LED
LED è la sigla inglese di Light Emitting Diode (= diodo ad emissione di luce) ed è un dispositivo elettronico che sfrutta materiali semiconduttori al fine di produrre fotoni. I fotoni sono la misura di base (quanto) del campo elettromagnetico.
I semiconduttori, come suggerisce la parola, possono essere considerati delle vie di mezzo tra i materiali conduttori e quelli isolanti, come ad esempio silicio o il gallio se drogati con altri elementi con precise capacità elettroniche.
Sfruttando le proprietà elettroniche dei semiconduttori e fornendo al led una dose di energia, si sviluppano fenomeni che coinvolgono gli elettroni e le lacune derivanti dal loro spostamento, causando così un'emissione spontanea di luce.
La lunghezza d'onda dei fotoni emessi dal led dipende dalla quantità di energia che è stata utilizzata per far spostare gli elettroni nei semiconduttori e soprattutto da che semiconduttori sono stati coinvolti. I semiconduttori infatti stabiliscono il colore della luce prodotta. Il primo colore che si riuscì a produrre coi led, fu il rosso, poi il giallo, il verde e solo nel 1992 si ottenne il colore blu, che era essenziale per poter fare il bianco.
Da allora i led sono progrediti in maniera esponenziale, fino a giungere ai nostri anni in cui ogni cosa è a base di led.

I Watt e i Lumen

Il Watt (W) è l'unità di misura della potenza, mentre il Lumen (lm) è l'unità di misura del flusso luminoso.
Quindi i Watt ci indicano quanta energia occorre per far funzionare uno strumento elettronico, mentre il Lumen ci dice quanta luce emette.
Il led in questo campo è estremamente evoluto in quanto per emettere alte quantità di lumen, sfrutta poca energia e per questo motivo è estremamente più conveniente delle normali lampadine a incandescenza. Pertanto, sia le lampadine normali (incandescenza, neon...) che i led hanno un valore di watt e di lumen.
Una volta il valore dei Watt era essenziale quando si andava ad acquistare una lampadina, in quanto a seconda del wattaggio tu sapevi quanta luce avrebbe fatto, quindi scrivere sulle confezioni la quantità dei lumen era superfluo, specie prima degli anni 90.
Viene da sè quindi che non esiste davvero una formula di conversione dei Watt in Lumen e viceversa.
Tuttavia, mentre prima ci basavamo sul rapporto W/litro, ora possiamo sfruttare il rapporto lm/litro.

In precedenza con le lampadine a fluorescenza ci si basava sul wattaggio per comprendere che tipo di illuminazione si avesse. Dividendo il numero dei W per i numero dei litri dell'acquario si otteneva il numero di Watt/Litro necessario a identificare l'intensità dell'illuminazione.

Sotto lo 0,3 W/l, illuminazione molto bassa/bassa

Da 0,4 a 0,7 W/l, illuminazione media

Sopra 0,8 W/l, illuminazione alta

Sopra 1,5 W/l, illuminazione molto alta

Noi sappiamo che i Lumen emessi da una lampadina ad incandescenza per ogni Watt sono circa 13, mentre nelle lampade a fluorescenza (neon) per ogni Watt ci sono circa 70-90 lm per watt e nei led (quelli normalmente proposti in campo acquaristico) circa da 100 ai 200 lm/W.

Facciamo un esempio:
Se prima il mio acquario da 200 litri aveva un neon da 100W, io sapevo di avere una illuminazione media perchè 50/200 fa 0,5 W/l.
Calcolando che 100W di un tubo fluorescente emettono circa 8000 lm, ho una illuminazione media perchè 8000/200 ottengo 40 lm/l.

Una nuova tabella potrebbe essere quindi:

Sotto 30 lm/l, illuminazione bassa

Da 30 a 50-60 lm/l, illuminazione media

Sopra 50-60 lm/l, illuminazione alta

Sopra 90 lm/l, illuminazione molto alta

Lo spettro luminoso

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Lo spettro elettromagnetico

In natura la principale fonte di luce della terra è il Sole, il cui spettro elettromagnetico è molto vasto. L'occhio umano riesce a percepirne solo una piccolissima parte, compresa tra 400 e 700 nanometri, detta Spettro Visibile, che però i nostri occhi percepiscono come semplice luce, senza riuscire a captare le sue sfumature di colore.

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Lo spettro visibile

Sebbene il sole emetta un numero enorme di onde elettromagnetiche, non tutte raggiungono la superficie terrestre. Nel caso dello spettro visibile, per via dell'atmosfera terrestre e la rotazione della terra (il cambiamento dei raggi che colpiscono la superficie terrestre), arrivano a toccare terra delle onde differenti a seconda dell'ora del giorno.
Grazie ai gradi Kelvin, possiamo misurare la temperatura di colore.

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Al mattino e al tramonto, la temperatura di colore è intorno ai 4000°K

A mezzogiorno, circa 5400° K

La luce diurna è mediamente 6500° K

Col maltempo, la temperatura di colore può raggiungere i 7000/9000°K

Con il cielo limpido, ci aggiriamo intorno ai 10000-18000°K

La temperatura di colore ideale per le piante è compresa tra 3000 e 6500°K.
Quando la luce tende al colore rosso (<4000°K) si parla di luce calda, mentre quando tende all'azzurro (>6500°K), si parla di luce fredda.
È consigliabile quindi associare diversi tipi di led, come una striscia calda ad una neutra, o fredda per avere un effetto fitostimolante, ovviamente tenendo a mente quali sono le esigenze delle nostre piante in questione. Di norma, sarebbe l'ideale avere almeno una porzione di led rossi, una porzione di led blu e una porzione abbondante di led bianco caldo, ma anche di led bianco freddo.
Attenzione però! Non fidatevi di una semplice scritta Warm, Cold, White, Daylight etc, cercate sempre conferma nei gradi Kelvin, perchè spesso i produttori di lampade led sbagliano nel battezzare le proprie lampade, dando indicazioni scientificamente poco accurate.

Diffidate di venditori che non rilasciano specifiche tecniche del proprio prodotto!

La PAR

Gli organismi che effettuano la fotosintesi, come le piante, sfruttano porzioni dello spettro visibile,
che si può misurare in questo contesto mediante la Radiazione Fotosinteticamente Attiva PAR.
La PAR ci consente di capire quale sia la porzione di radiazione necessaria alle piante per compiere la fotosintesi clorofilliana in maniera efficiente, mediante uno schema:

Da 400 a 490 nanometri, la fascia blu-viola: utile nei momenti di fioritura, per la variazione dei pigmenti e per la sintesi proteica;

Da 490 a 560 nanometri, la fascia verde: poco utile nella fotosintesi;

Da 560 a 590 nanometri, la fascia gialla: non utile fotosinteticamente (ma particolarmente gradita dalle alghe e da altri organismi);

Da 590 a 700 nanometri, la fascia arancio-rossa: quella più attiva nella fotosintesi, infatti la clorofilla è verde proprio perché esso è il colore complementare al rosso e quindi attira maggiori porzioni di luce rossa.

Ricordiamoci che quando illuminiamo un acquario, dobbiamo pensare principalmente al benessere delle piante e degli animali che abbiamo in vasca. Quindi, se abbiamo un acquario senza piante e la luce ci serve fondamentalmente per vedere l'acquario e i pesci, un qualsiasi led bianco freddo (anche acquistato al brico) va benissimo. Nel caso delle piante meno esigenti, come per esempio l'anubias, anche uno di questi led può andare bene, sebbene è sempre meglio cercare qualcosa di apposito.
Quando si acquistano dei led è bene controllare la scheda tecnica e leggere che tipo di temperatura ha la luce che stiamo scegliendo.

La scelta del LED

Non essendo un tecnico, né un elettricista e non intendendomi di circuiti elettrici, non mi prodigherò in spiegazioni sull'alimentazione dei led e sui vari sistemi richiesti per mantenerli in funzione. Prima scegliete il led che ritenete corretto per la vostra vasca e poi affidatevi ad un professionista per il montaggio sulla plafoniera, oppure se siete bravi con il fai da te, fate delle ricerche online: ci sono molte guide valide che spiegano come montare le strisce di led alle plafoniere, i driver, gli alimentatori e via dicendo. Attenzione a fare un lavoro preciso, perchè i led richiedono una alimentazione energetica costante e qualsiasi alimentatore che non sia stabile o che non abbia l'amperaggio corretto potrebbe farli bruciare (e diciamo che non sono proprio economici...).

Quindi abbiamo detto che un led necessita di una corretta fonte di energia elettrica, ed ora passiamo alle sue caratteristiche tecniche.
I led sono fonti di luce puntiformi e bisogna quindi valutare la giusta lunghezza della striscia da utilizzare, il materiale che lo riveste, se è impermeabile, il suo aspetto estetico nella vasca etc.
Innanzitutto, visto che sono puntiformi, non bisogna commettere l'errore di prenderne troppi pochi e potenti (a fascia alta, sopra i 150lm/W), dato che i coni di luce e ombre che svilupperebbero sarebbero antiestetici.
Per quanto riguarda la lunghezza della striscia, io vi consiglio di scegliere porzioni di led progettate appositamente per gli acquari, e non di andare dal ferramenta prendere qualche metro di strisce da incollare alla plafoniera senza tener conto di una corretta dissipazione del calore e via discorrendo. Se vi ritenete sufficientemente esperti da saper gestire la situazione, ben venga.
La resa cromatica del led è una questione prevalentemente estetica ed indica quanto naturale sembri la luce che stiamo utilizzando. Se scegliamo luci rosse e calde escludendo quelle bianche, avremo un acquario rosetto che sicuramente non nuocerà a piante e pesci, però non sembrerebbe proprio "naturale". Per una resa cromatica ottimale, si consiglia che le luci principali siano le bianche (calde in prevalenza, ma anche un po' fredde) spezzate di tanto in tanto da led rossi e blu.

Un esempio di led rossi e blu fitostimolanti (responsabili della luce rosacea che si può smorzare con l'uso annesso di led bianchi)

Quando acquistate delle lampade inoltre, indifferentemente che siano led o meno, assicuratevi sempre che il loro indice di protezione sia alto! L'indice di protezione si identifica sugli strumenti elettrici con un codice riconoscibile dalla sigla iniziale "IP".
Io vi lascio qui sotto un'immagine con una tabella che spiega i vari livelli di sicurezza di un prodotto.
Ebbene, nel caso dei led non è raro trovare IP64 o simili, io vi consiglio di utilizzare almeno un IP67 o perchè no, 68 se possibile. In questo modo sarete sicuri sempre, anche qualora il led dovesse cadere accidentalmente in acqua.

Le considerazioni finali

Insomma, i pro e i contro sono tanti e vanno tutti presi in considerazione.
I led sono sicuramente una tecnologia recente, su cui ci sono ancora molte cose da scoprire, inventare e su cui far luce. Si spera che in futuro ci venga offerta una maggiore chiarezza in merito.
Sicuramente i costi di consumo elettrico sono minori, ma la luce emessa è maggiore, non viene generato calore, non si richiede manutenzione, hanno una durata circa 5 volte superiore rispetto ai neon e non inquinano molto.
I problemi maggiori sono trovare il modo corretto di applicarli (la giusta formula fitostimolante) e trovare un fornitore che sia onesto e fornisca le informazioni tecniche nel dettaglio. Il costo è elevato, tuttavia nel lungo arco di tempo è possibile ammortizzarlo dato che non richiede sostituzione, al contrario dei neon che dopo qualche tempo vanno cambiati.
Siamo noi i pionieri del led, una tecnologia che probabilmente tra una ventina d'anni sostituirà completamente l'illuminazione a tubi fluorescenti, ma che per il momento cela ancora tanti dubbi.

Se ci sono punti non chiari, oppure se volete fare delle aggiunte o delle correzioni (come già detto non sono un elettricista né ho un dottorato in fisica, quindi è possibile che abbia commesso delle imprecisioni), commentate pure sotto questo post e farò il possibile per arricchire la scheda con le vostre informazioni.
Grazie per aver letto.