LED in acquario

Quali LED scegliere?
Sono meglio le strisce, le barre o i chip singoli?
Servono i driver?
Le lampadine si possono dimmerare?

Tante sono le domande che attanagliano l’acquariofilo che cerca di capirci qualcosa… e sicuramente cercare in giro può creare altra confusione!

Vediamo quindi di fare un po’ di chiarezza.

Iniziamo subito con le caratteristiche principali dei LED. Queste caratteristiche sono valide per tutti i tipi di LED (lampadine, strisce, barre, chip singoli…).

Prima di proseguire con la lettura, è consigliabile leggere il breve articolo che spiega, in maniera semplice e veloce, cosa sia la luce.

Tipi di LED

LED monocromatici

I LED monocromatici, come dice il nome, emettono luce di un dato colore.
Ad esempio, possiamo avere un LED verde, un LED giallo, un LED violetto e così via.

Oltre al colore “a parole”, solitamente viene indicata la lunghezza d’onda dominante, ovvero la lunghezza d’onda dove si ha il maggior picco di emissione.
Ad esempio, potremmo avere un LED verde con un picco a 525 nm o un LED turchese a 500 nm.

Alcuni colori hanno, invece, una nomenclatura specifica, ad esempio i LED:
– Royal blue con picco a 455 nm
– Deep red con picco a 660 nm
– Far red con picco a 740 nm

Per gli usi in acquario, è importante controllare soprattutto la lunghezza d’onda, per poter così andare ad usare luce delle lunghezze appropriate per colpire i pigmenti fotosintetici delle piante.

LED bianchi

I LED bianchi producono luce a partire da un LED blu con l’aggiunta di sostanze particolari – dette fosfòri – per ottenere il bianco (che è dato dalla somma dei vari colori).
I LED bianchi possono avere varie tonalità di colore che possono essere descritte in due modi: il primo è una nomenclatura descrittiva, a parole, la seconda invece usa una precisa misura, detta temperatura di colore, e si misura in kelvin (simbolo K).

Vediamo i tipi di LED bianchi più diffusi, indichiamo anche la diffusa nomenclatura inglese, oltre alla temperatura di colore:

• bianco caldo/warm white – 2700-3500 K
• luce del giorno/daylight – 4000-5500 K
• bianco freddo/cool white – 6000-7500 K
• bianco ghiaccio/ice white – 9000-15000 K
• bianco super-freddo/super cool white – 15000-25000 K

Purtroppo è da osservare che i produttori non hanno una nomenclatura univoca, ad esempio, per alcuni, daylight descrive le lampade a circa 6500 K.
Inoltre, specie con prodotti economici, le temperature di colore dichiarate spesso non coincidono con quelle effettive – l’esempio più comune è quello dei LED a 2700 K, che spesso hanno una temperatura di colore effettiva attorno ai 3500 K.

Giusto per dare un anticipo, in acquario dolce solitamente sono usati i LED a temperature di colore più basse, indicativamente dai 7500 K in giù.
Negli acquari marini, invece, ci si spinge a temperature di colore molto alte, poiché è necessaria una maggiore componente blu.

LED speciali

Elenchiamo tre tipi di LED particolari, che non rientrano prettamente nelle due categorie precedenti, ma che spesso sono usati in acquario.

RGB

I LED RGB integrano, sullo stesso chip, un LED rosso, uno verde e uno blu, da cui il nome (in inglese, Red=rosso, Green=verde, Blue=blu).

È normalmente possibile accendere singolarmente i vari colori oppure, tramite apposite centraline, accendere i vari colori a potenze differenti, per poter formare i colori diversi dai tre di base.
Con i LED RGB è possibile anche avere una specie di luce bianca, ottenuta con l’accensione dei tre LED, ma solitamente la qualità di questo bianco è modesta.

RGBW

I LED RGBW integrano, sullo stesso chip (o striscia), un LED RGB e un LED bianco (White=bianco, in inglese).

I LED RGB mantengono le caratteristiche che abbiamo poco sopra visto, mentre il LED bianco si occupa di produrre la luce bianca, migliorandone significativamente la qualità.

Full Spectrum PAR

I LED Full Spectrum PAR sono dei LED appositamente creati per la coltivazione delle piante, da cui il nome PAR, che in inglese sta per Photosynthetically Active Radiation (Radiazione fotosinteticamente attiva, una misura della radiazione luminosa intercettabile dalle piante).
Con un unico chip, producono luce blu e luce rossa, ovvero quella di cui le piante hanno maggior bisogno. La luce visibile è quindi di aspetto violaceo.

Oltre alla luce rossa e blu, molti modelli producono anche una piccola quantità di luce ultravioletta (UV) e di luce infrarossa (IR): il loro spettro, infatti, può estendersi da circa 375 nm a poco oltre gli 840 nm.

Tali lunghezze d’onda sono utili per stimolare la crescita delle piante, poiché nelle stagioni calde la presenza di raggi infrarossi, ad esempio, è maggiore.

Caratteristiche elettriche ed ottiche dei LED

Prima di vedere quali LED usare, vediamo brevemente le caratteristiche tecniche che descrivono i LED.

Nella descrizione delle caratteristiche elettriche ed ottiche dei LED useremo la nomenclatura inglese, poiché è la più utilizzata ed è quella che troviamo nei datasheet (schede tecniche) dei LED, solitamente scritti solo in questa lingua.

È utile precisare che i dati sono solitamente divisi per tipologia, fra cui:

• absolute maximum rating: valore massimo di un certo parametro, da non superare mai, e che probabilmente è bene non si verifichi troppo spesso;
• minimum/typical/maximum value: valore minimo/tipico/massimo di un parametro.

In seguito, sono indicate solo le caratteristiche solitamente rilevanti, l’elenco non è esaustivo.

Forward voltage (tensione di alimentazione)

La tensione di alimentazione è la caduta di tensione che si ha ai capi del LED.
Si misura in volt, simbolo V.

Solitamente, per un chip singolo, varia dai 2.8 V fino ai 3.5 V.

Forward current (corrente di alimentazione)

La corrente di alimentazione è la corrente che passa nel LED. Poiché i LED sono alimentati in corrente, non è un valore univoco, ma dipende dalla potenza che si vuole far sviluppare al chip.
La corrente si misura in ampere, simbolo A; molto spesso, per i LED si usa il sottomultiplo milliampere, simbolo mA: 1 mA equivale a 0.001 A.

I LED più piccoli, per segnalazione, possono consumare pochi milliampere di corrente (circa 5-20 mA), mentre i LED i potenza possono arrivare anche alle migliaia di milliampere di corrente.

Power dissipation (potenza dissipata)

La potenza dissipata è la potenza che sta sviluppando il LED, una volta fissata l’alimentazione (tensione e corrente).
Si misura in watt, simbolo W.

Si ricava facilmente moltiplicando fra loro la tensione e la corrente effettive di alimentazione:

Wavelength (lunghezza d’onda)

Per i LED monocromatici, ovvero che fanno luce di un solo colore (rosso, blu, verde, giallo…) è indicata la lunghezza d’onda dominante, ovvero quella dove è massima l’emissione.
Si misura in nanometri, simbolo nm.

Solitamente è anche riportato un grafico con il disegno dello spettro di emissione. Ad esempio:

Luminous flux (flusso luminoso)

Una volta fissata l’alimentazione (tensione e corrente, quindi anche la potenza), possiamo calcolare il flusso luminoso prodotto dal LED, ovvero quanta luce sta producendo.
Si misura in lumen, simbolo lm.

Solitamente si usa questo parametro per valutare l’efficienza dei LED. A parità di potenza, infatti, un LED che produce più luce è più efficiente.
Un po’ come un’automobile, che con un litro di carburante fa più strada di un’altra.

Giusto per dare qualche numero, alcune rese di tipiche fonti luminose:

• lampadina ad incandescenza: 10-15 lumen/watt
• lampadina alogena: 25 lumen/watt
• lampade fluorescenti (CFL o tubolari): 50-90 lumen/watt
• LED bianchi di modesta qualità, da evitare: 40-90 lumen/watt
• LED bianchi di buona qualità: 110-130 lumen/watt
• LED bianchi di ottima qualità: più di 140 lumen/watt
• Massimo teorico dei LED: circa 300-400 lumen/watt
• Massimo teorico assoluto: 683 lumen/watt (verde a 555 nm)

View angle (angolo di vista)

L’angolo di vista descrive l’ampiezza verso cui il LED emette il grosso della luce, indicata con un angolo.
Ad esempio, i chip hanno spesso un angolo di emissione di 120°: ciò significa che emettono almeno il 50% della potenza luminosa entro questo angolo.

Color rendering index – CRI (indice di resa cromatica)

L’indice di resa cromatica misura quanto una sorgente luminosa riesce ad illuminare gli oggetti restituendo il loro colore naturale.

Se una fonte luminosa ha un CRI molto basso (o negativo), si ha una innaturale resa dei colori.
Un esempio particolare lo possiamo vedere nella foto sotto, dove due auto, una rossa e una nera, sono illuminate da lampioni con lampade ai vapori di sodio a bassa pressione (SOX), che hanno un CRI addirittura negativo: il rosso viene reso come nero!

Per calcolarlo, si misura la resa luminosa della lampada nell’illuminare piastrine di colori standard e si confronta la resa con una sorgente campione, che ha una emissione ideale.
Ogni colore avrà un indice, indicato con R_colore ad esempio R_r (rosso) R_b (blu) e così via.
La media di queste rese viene indicata con R_a (dove a sta per average, media).

Tale valore medio ha un massimo pari a 100: una fonte luminosa con CRI R_a=100 ha pertanto un’ottima resa cromatica, secondo la definizione R_a (ne esistono altre).
Le fonti luminose sono considerate sufficienti per usi generici se hanno un CRI maggiore di 80. CRI maggiori di 90 sono invece considerati necessari per applicazioni in cui la resa dei colori è importante.

I LED bianchi comuni solitamente hanno un CRI variabile da 80 a 90.
Esistono tuttavia LED ad elevato CRI (superiore a 90-95), con costi superiori ma che stanno diventando rapidamente sempre più accessibili, anche sotto forma di strisce, barre e lampadine.

Reverse voltage/current (tensione/corrente inversa)

I LED sono componenti polarizzati, ovvero hanno un dritto e un rovescio e raramente integrano protezioni contro il collegamento inverso.
Alimentarli, quindi, al contrario può danneggiarli o addirittura distruggerli: questi due parametri descrivono quali siano le massime tensioni e correnti che il LED può sopportare quando collegato erroneamente al contrario.

Operating temperature (temperatura di esercizio)

Il funzionamento dei LED dipende dalla temperatura e, per come sono costruiti, una temperatura elevata danneggia i LED – più ad alta temperatura lavorano, minore sarà la loro vita utile e la resa (per ogni 50 °C di aumento di temperatura, un LED può perdere anche il 10-20% di resa).
Se, inoltre, la temperatura raggiunge un valore troppo alto, il LED può rompersi del tutto al momento.

La temperatura operativa indica quindi quale sia la temperatura massima di funzionamento del LED, sopra la quale potrebbero iniziare alcuni problemi.
Solitamente tale temperatura si colloca intorno ai 50-60 °C: è pertanto importante garantire un corretto raffreddamento dei LED, specialmente di quelli di potenza, sia usando soluzioni passive (pasta termoconduttiva, dissipatori) sia soluzioni attive, quali le ventole.

Alimentazione dei LED

I LED sono dispositivi cosiddetti controllati in corrente, dunque la grandezza elettrica che va regolata è, appunto, la corrente, che misura quante cariche elettriche passano nel dispositivo, ogni secondo.

Alimentazione con LED driver

L’alimentazione più corretta per i LED è quindi usare un apparecchio in grado di fornire una corrente fissa ed eventualmente impostabile.
Tali apparecchi sono detti LED driver, piloti di LED.

Questi dispositivi sono cioè capaci di erogare una corrente data (per esempio 350 mA), a prescindere dal dispositivo collegato – ovviamente entro certi limiti, non è detto si possa attaccare una serie di mille LED ad un driver!

Vediamone un esempio:

Questo driver è in grado di erogare una corrente costante di 700 mA, avendo come caduta di tensione del LED (o della serie di LED) un valore compreso tra 2 e 52 V, se adeguatamente alimentato.
Un driver di questo tipo va bene per dimmerare LED ad alta potenza (power LED), controllandoli in corrente, grazie al suo apposito pin, che riceve in ingresso un segnale da una scheda quale Arduino o altre schede con micro-controllori.

Alimentazione in tensione

I driver sono dispositivi generalmente costosi e relativamente complessi da costruire. Quindi, in quasi tutti i prodotti più economici, si opta per un’alimentazione in tensione, ovvero non controllando la corrente.

Questa sembra un’apparente violazione delle richieste dei LED, tuttavia mettendo in serie un generatore di tensione con una resistenza di valore appropriato, si può ottenere l’equivalente di un generatore di corrente.

La resistenza, che si misura in ohm (simbolo Ω), è facile da calcolare, basta conoscere le caratteristiche dei LED e dell’alimentatore:

Resistenza = (Tensione di alimentazione – Tensione di Forward) ÷ Corrente di Forward

Da notare che la formula funziona anche con le serie di LED, ovvero mettendo un LED dopo l’altro. Basta sostituire alla forward voltage di un LED la somma delle forward voltage della serie.

 

Scelta dell’alimentatore

L’alimentatore sarà l’apparecchio che preleverà l’energia elettrica dalle prese di casa per convertirla in energia adeguata per essere utilizzata dai LED driver o dalle serie resistenze-LED.

Per la scelta, basta prenderne uno con la tensione necessaria per i nostri scopi, ad esempio 12 V, 24 V, 48 V etc
Resta sempre valido il suggerimento di ricercare prodotti di qualità, sicuri ed efficienti.

Per la potenza, è sufficiente calcolarla conoscendo la corrente consumata:

Potenza = Tensione × Corrente

È inoltre consigliabile, per questioni di efficienza, non usare un alimentatore né al massimo delle sue specifiche né a specifiche troppo basse. Per esempio, se abbiamo un alimentatore da 100 watt, non è né bene usarne solo 5, né usarne 95 o 100.
Una buona percentuale di utilizzo è attorno al 50-70% della potenza nominale.

LED in acquario

Arriviamo finalmente al dunque, dopo aver guardato bene tutte le caratteristiche dei LED e come valutarle.

Partiamo subito descrivendo le opzioni solitamente disponibili.

Plafoniere già pronte

Molti produttori hanno sviluppato delle plafoniere già pronte, con LED bianchi e/o colorati.
In tal caso, sarà sufficiente prendere il modello con la lunghezza giusta per il nostro acquario e collegarla.
Un esempio è la plafoniera Chihiros A, di cui abbiamo una recensione, ma ne esiste un’infinità di altri modelli!

Spesso i modelli sono forniti di apposite centraline che ne gestiscono l’accensione e possono creare effetti di accensione e spegnimento graduali.

Per valutare la qualità, è consigliabile controllare bene i consumi, la resa in lumen della plafoniera e la potenza.

Tubi LED retrofit

I tubi LED retrofit sono dei tubi a LED da inserire al posto dei vecchi tubi fluorescenti, T8 o T5.
È la soluzione ideale se non si vogliono apportare modifiche alla plafoniera originale.

Se l’acquario ha lunghezze standard dei tubi, è possibile acquistare tubi LED retrofit generici, ottenendo un buon risparmio. Se l’acquario ha invece tubi con lunghezze fuori standard (ad esempio, gli acquari Juwel), si dovrà per forza usare ricambi originali o comunque “per acquari”, come si può vedere nel passaggio a LED su un acquario Juwel Rio.

Principale svantaggio di questa soluzione è la scarsa flessibilità, poiché sono solitamente presenti solo LED a 3000 o 6000 K, con resa cromatica mediocre, oltre al fatto che questa tipologia di LED, funzionando direttamente a 230 V (tensione di rete), non è dimmerabile.

Lampadine LED E27 o E14

Per chi ha un acquario con lampadine E27 o E14 (le normali lampadine che si avvitano ai lampadari), è possibile sostituire le vecchie CFL, lampade compatte fluorescenti, con lampadine a LED con lo stesso attacco.
Non si trovano spesso in giro, ma ci sono lampadine E27 con LED direzionali, dunque si ha illuminazione tutta nella stessa direzione, anziché a 360° come la lampadina nella seconda immagine qui sotto.

Il vantaggio di questa opzione è la facilità dell’operazione; restano il fatto della scarsa flessibilità e della non-dimmerabilità delle lampade.

Strisce o barre a LED

Le strisce o barre a LED si trovano vendute a rotolo o a metro e hanno solitamente un prezzo piuttosto basso.

È possibile appiccicare delle strisce LED adesive all’interno del coperchio, ma spesso il rivestimento in gomma che le ricopre ingiallisce col tempo.
A meno di non avere una protezione dagli schizzi d’acqua, non è consigliabile usare le strisce non impermeabili poiché le piste che le compongono si corrodono rapidamente.

Analoghe considerazioni anche per le barre; queste sono però preferibili rispetto alle strisce – se è disponibile una copertura dall’acqua – poiché dissipano meglio il calore, che sappiamo danneggiare la vita dei LED.

LED singoli

Per chi ha un po’ di manualità con saldatore ed elettronica, è possibile creare delle plafoniere usando i chip singoli. Si può partire dai più semplici LED da 1 o 3 watt su PCB a stella (per facilità di montaggio) fino ad arrivare ai più costosi LED COB ad alta potenza ed efficienza.

La flessibilità di questa soluzione è massima: è possibile scegliere quanti e quali LED usare, di che colore, di che potenza; è possibile scegliere come alimentarli (in tensione o in corrente) ed è possibile usare centraline o piattaforme, come Arduino, per creare tutti gli effetti desiderati di accensione/spegnimento graduale, accensione di canali separati e così via.

In questo caso, di norma conviene partire da una buona parte di illuminazione con LED bianchi (temperature di colore attorno ai 6000 K), da integrare, se lo si desidera, con LED bianchi a temperature di colore più basse (3000 K) o con LED colorati, ad esempio: rossi, blu, UV-A o full spectrum PAR.

Indicativamente, l’abbinata LED freddi + LED caldi (6000 K + 3000 K) è semplice ma garantisce buona resa cromatica. Questa abbinata può essere adeguata e sufficiente per chi non ha particolari esigenze (piante esigentissime, ad esempio).
Aggiungendo colori singoli, è possibile migliorare ulteriormente.

Ultimamente, inoltre, stanno comparendo sempre più in commercio LED bianchi ad elevata resa cromatica a prezzo del tutto accessibile, poco superiore a quello dei LED comuni di analoga tipologia ma con resa cromatica meno elevata.
Usando LED a temperatura di colore di circa 4500-5500 K, con CRI elevato (90 o superiore, meglio 95 o 98), si possono ottenere ottimi risultati e un’eccellente resa dei colori con una sola tipologia di LED.

Quali e quanti LED mettere su un acquario?

Quali LED mettere su un acquario?

La base per l’illuminazione a LED di un acquario sono i LED bianchi, indicativamente con temperatura di colore attorno 5000 K, idealmente con una resa cromatica elevata, in modo da avere una luce di qualità con uno spettro abbastanza completo, con un unico tipo di LED.

Se piace la luce calda, è possibile anche usare solo LED a temperatura di colore più bassa, che funzionano bene specialmente con le piante galleggianti (prova personale, quindi è un’affermazione di valenza limitata).

Per gli allestimenti con piante più esigenti, è possibile installare LED di colore rosso/blu o full spectrum, particolarmente graditi alle piante, anche se in tal caso la resa realistica dei colori può risultare alterata.
In tal caso, è da osservare che i LED RGB o RGBW non hanno le frequenze giuste per le piante, dunque solitamente non rendono molto bene.

Quanti LED mettere su un acquario?

Abbiamo visto che un LED non ha né una potenza fissa né una resa fissa. Pertanto sarà necessario fare qualche semplice conto.
In particolare, nel caso dei soli LED bianchi sarà sufficiente sommare le rese in lumen e farne il rapporto rispetto alle dimensioni dell’acquario, in litri.

Tale rapporto – è bene specificarlo – è assolutamente indicativo, dunque va adattato caso per caso.
Ad esempio, se la colonna d’acqua è alta (diciamo sopra i 40 cm), sarà necessario aumentare un po’ il numero o la potenza dei LED.

Regola indicativa lumen/litro

In media, quindi, dovremo calcolare circa:

• 15-30 lumen/litro per un acquario modestamente illuminato, ad esempio con acque scure o solo galleggianti o solo piante ombrofile o comunque poco esigenti;
• 30-60 lumen/litro per un acquario mediamente illuminato, ad esempio con piante verdi o rosse poco esigenti;
• 70-90 lumen/litro per un acquario ben illuminato, con piante rosse o verdi esigenti; con alcune specie potrebbe essere necessaria maggiore potenza.

Se oltre ai LED bianchi vengono messi LED colorati, ad esempio: LED rossi, LED blu, LED verdi o LED full spectrum PAR, dovremo conteggiarli in maniera diversa.

Poiché i LED colorati entrano malamente nel computo dei lumen (ad esempio, i LED rossi e blu quasi non emettono lumen, secondo la definizione), il consiglio è quello di basarsi sulla luce bianca, facendo l’usuale calcolo in lumen e poi aggiungere un 30-50%, in potenza, di LED colorati.

Tirando le somme…

Illuminare in maniera soddisfacente gli acquari d’acqua dolce con i LED è assolutamente possibile e si possono avere buone rese, se si sta attenti all’acquisto.

Come raccomandazioni finali, possiamo solo consigliare di:

• scegliere LED con una buona efficienza: anche se possono costare un po’ di più, si guadagna in risparmio di corrente, minor calore emesso e maggiore qualità dei componenti;
• scegliere LED con una buona resa cromatica, che sono sempre più a buon mercato e che consentono di ottenere ottime rese usando una sola tipologia di LED.

Se ancora hai dubbi (ed è lecito, perché di LED ce ne sono tantissimi e sempre di nuovi), perché non passi nel nostro forum, così progettiamo insieme qualcosa?
Passa pure anche se hai costruito una plafoniera (o ne hai usata una già pronta), raccontandoci come funziona, se rende bene e se ti soddisfa. Ti aspettiamo!

Buona illuminazione!

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Crediti

Immagine chip RGB: By Viferico – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41177332
Immagine CRI lampada vapori di sodio: By Darkest tree – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64836710
Immagine spettro LED: By ​wikipedia user Deglr6328, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22025097