Plafoniera a Led

Dopo mesi di studio, e di affanni per procurarmi il materiale finalmente è pronta la nuova plafoniera a Led DIY.
Come sempre cercherò di fare una mini guida a chi decidesse di cimentarsi nella costruzione di un progetto simile.

Prima di tutto un pò di teoria

I led
Definizione
I led sono diodi ad emissione luminosa, tecnicamentente vi basta sapere che la corrente passa solo se il led è posizionato con la giusta polarità.
Esistono una enorme varietà di led ma tutti ricadono essenzialmente nelle categorie low power
e high power (ce ne sono anche altre che non prendo in considerazione). Tutti gli high power led necessitano per funzionare correttamente di un'alimentazione costante in corrente continua. Per poter garantire quest'alimentazione occorreranno specifici driver e opportuni trasformatori (esistono driver che integrano queste due funzionalità)


Scelta
Per l'uso acquariofilo i led che servono ai nostri scopi sono gli high power led. High power perchè rispetto ai led tradizionali hanno un consumo e chiaramente una luce decisamente superiore. Nello specifico per il mio progetto ho usato led da 3w.
La prima cosa da osservare quando si sceglie un led e in generale una componente elettronica è il datasheet. Questo documento contiene preziose informazioni che permettono di conoscere i dettagli del componente, quali ad esempio tensione, temperatura di esercizio e via discorrendo.
Uno dei parametri a cui porre maggiore attenzione è l'efficenza che si esprime in lumen per watt. Spiegato in parole spicciole è il quantitativo di luce che viene emessa dal led per ogni wat di consumo.
Più alto è questo rapporto, più luce avremo a parità di consumo.
Altro parametro nella scelta del led è la temperatura di colore e ancor più la lunghezza d'onda. Come sapete la luce è composta da diversi colori, la presenza di componenti cromatiche in alcune lunghezze ne determina il risultato cromatico finale.
A seconda delle esigenze degli animali allevati è preferibile scegliere determinate lunghezze d'onda piuttosto che altre. Soltanto alcune di queste sono visibili all'occhio umano..ad esempio l'infrarosso non è visibile ma è la componente che produce calore. Un esempio di spettro luminoso




I led che sceglieremo non avranno quasi per niente una componente infrarossa ecco il perchè i nostri led non produrranno calore verso la vasca.
Detto questo pre garantirci una copertura degli spettri utili ai coralli ho scelto di utilizzare led cosiddetti "royal blue", "blue" e "cold white" (bianco freddo).
A questo punto è il momento di scegliere la marca e la serie. Le proposte sul mercato sono tante ma la marca che al momento produce i led più efficenti in lumen per watt è CREE. Esistono diverse serie di led XR-E, XP-E, XP-G ciascuna serie ha le sue caratteristiche distintive. La mia scelta è ricaduta su 3 tipologie per diverse ragioni legate al prezzo, reperibilità compromesso tra angolazione e efficenza etc..:

CREE XR-E BLUE
CREE XP-G R4 COLD WHITE 7000K
CREE XP-E ROYAL BLUE

Qui potete vedere lo spettro degli XP-G



Un parametro da considerare nella scelta del led è anche l'angolo di emissione. Questo determina quanto aperto sarà il fascio di luce. Più il cono è ampio, meno penetrazione avrà la luce e contemporaneamente maggiore diffusione. L'angolazione può sempre essere corretta utilizzando delle opportune lenti.

Cono dei cree xp-g


Ultima nota per la scelta del led è quella di procurarsi led montati su PCB, in quanto data le esigue dimensioni risulterebbero impossibili da saldare.

I driver
Anche se un led è classificato come da 3w non è detto che debba consumare 3w..I watt sono in stretta correlazione alla corrente che attraversa i led, espressa in Ampere.
Supponiamo ad esempio di alimentare un led con una corrente continua da 700ma. Sapendo che il led richiede una differenza di potenziale di circa 3v, avremmo un consumo di circa 2,1w (P=I x V). Qui un link su alcune indicazioni utili per risparmiare energia
Chiaramente anche un driver avrà un suo "consumo interno" che si sommerà al consumo dell'intero sistema. Nella scelta del driver è importante prima di tutto capire dal datasheet dei led che abbiamo scelto di che corrente necessitano.



Più ci avviciniamo alla massima corrente supportata più luce avremo, ma contemporaneamente perderemo di efficenza!. Va posta quindi molta attenzione a questo aspetto...che senso ha pilotare un led che ad 1A produce 100lumen watt se pilotandolo a 500ma produrrebbe 150lm watt? Rgionateci un secondo...
Un altro aspetto decisivo è il calore prodotto dal led; se è vero che il led non emette calore in quanto non produce infrarossi non è vero che esso non si riscalda!
Maggiore è la corrente che lo attraversa, maggiore sarà il calore prodotto che andrà necessariamente dissipato.
Nel mio caso specifico ho identificato in 700ma un buon compromesso tra efficenza, calore prodotto e luminosità complessiva.

Dissipazione
La dissipazione del calore può essere attuata mettendo in comunicazione la base del PCB metallica con un dissipatore in rame o alluminio. Questi materiali hanno la capacità di condurre molto bene il calore che pertanto abbandona il corpo caldo del led e finisce tra le alette del dissipatore. Per migliorare ulteriormente il tutto, delle ventole permetteranno all'aria di raffreddare le alette dei dissipatori.
Per garantire un contatto ottimale tra il PCB del led e il dissipatore utilizzeremo della pasta termoconduttiva.


Ora che abbiamo tutti gli elementi non ci resta altro da fare che assemblare il tutto.

Una breve lista della spesa:

Led a scelta nel numero e colorazione (la mia prevede 100 led di cui 60 bianchi e 40 blu)
Driver calibrati nella corrente e nel numero atti ad alimentare i led scelti (io ho utilizzato 5 driver AC->DC 700ma ciascuno in grado di pilotare max 20 led)
Dissipatori in barre o singoli per led

Se decidiamo di mettere i driver nella plafoniera sarà sufficente portare su fino alla plafo i fili della corrente alternata. Se invece optiamo per mettere i driver all'esterno, bisognerà far arrivare ai led, il polo positivo di ogni driver e una massa condivisa. Nel primo caso vi consiglio connettori IEC da pc, mentre per il secondo connettori a 8 poli con cavi sufficentemente spessi da garantire il passaggio della corrente.

Ventole a 12v per il raffreddamento da 80 o 120mm
Griglie di protezione per le ventole
Trasformatore 12v per le ventole (1A basta e avanza)




Il resto del materiale sono le parti della scocca che dipende da cosa userete tipo legno, plexyglass etc..

Strumenti
Vi serviranno sicuramente

Trapano
Saldatore con punta fine con stagno
Tester
Seghetto alternativo
Forbici da elettricista
Pinze varie

Qualche consiglio sul montaggio e sui principali problemi che potreste incontrare.
I led vanno collegati in serie sui driver e mai in parallelo.

Problemi

1)Alcuni led non si accendono
probabilmente è perchè la corrente fa qualche giro alternativo "saltando" quei led...considerate che i dissipatori sono ottimi conduttori ;-) Per diagnosticare questo problema potete agire così: tester in posizione OHM e misurate la resistenza tra cavo e barra nelle immediate vicinanze del cavo. Se il tester vi da un numero diverso da 1 allora c'è passaggio di corrente e avete trovato il problema.

2)Nessun led si accende
Probabilemnte non passa corrente. Verificatelo con il tester in posiziona Ampere e mettendo il + del driver ad un polo del tester e il meno del tester al primo led. Se vi da 0 non passa corrente, quindi da qualche parte il circuito è interrotto.
Potrebbe essere un led bruciato oppure una scorretta saldatura. Per trovare il problema: procuratevi uno spezzone di cavo e saltate uno alla volta i led, collegando sempre un + a un -. Quando vedrete tutti i led meno uno accendersi avete trovato il problema!