Il sistema è composto da 18 LED:

• 10 LED rossi
• 4 LED blu
• 4 LED verdi (ho voluto montare anche questo colore per particolari sperimentazioni)

Ho scelto di acquistare i LED, i drivers necessari per il loro funzionamento, le ottiche e l'alimentatore presso LedSupply, un rivenditore specializzato degli Stati Uniti.
Non so se i prezzi sono i più bassi ma devo dire che il materiale è arrivato a destinazione in 3/4 giorni e la qualità mi sembra ottima. Se volete acquistare all'estero dall'Italia, ricordate di aggiungere alla spesa un 20% che verrà richiesto dal corriere per le tasse di dogana.

Specifiche tecniche dei LED (Luxeon K2 Online Datasheet):

• Luxeon® Red K2 Star - $6.97 l'uno
  • frequenza: 627nm
  • 45 lm @ 350mA - 75 lm @ 700mA
  • corrente massima: 700mA
  • 2.95Vf - Forward Voltage
  • LXK2-PD12-R00 Emitter
• Luxeon® Blue K2 Star - $6.97 l'uno
  • frequenza: 470nm
  • 9.5 lm @ 350mA - 16 lm @ 700mA
  • corrente massima: 1500mA
  • 3.6Vf - Forward Voltage
  • LXK2-PB12-K00 Emitter
• Luxeon® Green K2 Star - $6.97 l'uno
  • frequenza: 530nm
  • 45 lm @ 350mA - 75 lm @ 700mA
  • corrente massima: 1500mA
  • 3.6Vf - Forward Voltage
  • LXK2-PM12-R00 Emitter

I LED scelti sono composti dall'emettitore già presaldato su un supporto a stella che aiuta a dissipare il calore e semplifica le operazioni di saldatura e montaggio.

Nello schema sotto riportato ho sovrapposto le caratteristiche di frequenza della luce dei 3 tipi di LED con la luce assorbita dai componenti delle piante. Nell'asse verticale, per i LED, è rappresentata la distribuzione dello spetro relativo di potenza e in quello orizzontale la frequenza della luce in nm. Con i LED rossi e blu possiamo coprire la maggior parte dei picchi di assorbimento della clorofilla.

Per distribuire meglio la luce prodotta da ogni LED e proteggere l'emettitore ho acquistato 18 lenti con i relativi supporti da applicare ai LED. Ho scelto ottiche che convogliano la luce in un fascio con ampiezza di 15°

• Ottica 15° - $1.50 l'una
• Supporto per ottica - $0.25 l'una

Per utilizzare LED di questa potenza non è sufficiente collegarli all'alimentazione con una semplice resistenza in serie, ma serve un circuito che "piloti" l'emettitore assicurando una corrente costante con intensità adatta per il tipo di LED da accendere. Esistono varie tecniche per realizzare questo tipo di circuiti e in commercio si può trovare  una vasta gamma di drivers già pronti per l'uso. Ho scelto di acquistare un tipo di driver di prezzo non eccessivo che ha tutte le caratteristiche necessarie per il mio progetto:  il 3021 BuckPuck (scheda tecnica).

Circuito utilizzato per pilotare il gruppo di 5 LED K2 rossi

Questo dispositivo fornisce una corrente costante in uscita per pilotare i LED e non è necessario calcolare una tensione di ingresso precisa perchè è in grado di autoregolare l'uscita a seconda di quanti e quali LED vengono collegati.

Il driver è dotato di 6 pin:

• 2 in uscita per collegare la serie di LED (il modello da 1000 mA può pilotare fino a 18 LED da 1W o 6 LED da 3W)
• 2 per l'alimentazione che deve avere una tensione fra i 5 e i 32 V DC, se i LED sono in serie è sufficiente che la tensione in ingresso superi la somma della tensione necessaria ad ogni LED
• 2 per regolare l'intensità dell'illuminazione dei LED, ma tratterò questo argomento più avanti, non sono necessari se si vogliono utilizzare i LED alla massima potenza

Per la mia lampada ho utilizzato 4 driver:

• 3 3021-D-E-700mA BuckPuck, 2 per pilotare 2 serie di 5 LED K2 Rossi ed 1 per pilotare i 4 LED K2 Verdi - $14.99 l'uno
• 1 3021-D-E-1000mA BuckPuck per pilotare i 4 LED K2 Blu - $14.99

All'elenco di acquisti ho aggiunto:

• Alimentatore 24VDC 150-Watt - $29.99
  • Tensione di ingresso - 100-220VAC, 50-60 Hz
  • Tensione di uscita - 24VDC
  • Corrente di uscita - 6.5A
• 2 confezioni di Arctic Alumina Thermal Adhesive - $7.49 l'uno
  • è un potente adesivo che resiste alle alte temperature che possono generare i LED e può servire da accoppiatore termico
• viti e bulloni di varie dimensioni
• basetta forata su cui saldare i drivers
• Totale spesa di poco superiore ai 200€ (sdoganamento compreso)

Per la base della lampada ed il sistema di raffreddamento ho riciclato dell'alluminio:  una lastra, delle barrette e dei dissipatori recuperati da vecchi personal computer (quelli applicati sui processori). I dissipatori sono predisposti per collegarci delle piccole ventole di raffreddamento, anch'esse provenienti dai pc, ma valuterò in seguito se sarà necessario questo lavoro.

Di seguito una sequenza cronologica di immagini che spero illustrino a sufficienza il tipo di lavorazioni necessarie per assemblare la lampada a LED.

Fase 1: decido la disposizione dei LED e ne segno la posizione sul supporto di alluminio lasciando 5cm di spazio fra un LED e l'altro.

Fase 2: incollo con l'adesivo termico i dissipatori cercando di coprire la superficie corrispondente a dove dovrò fissare i LED, sul lato opposto.
Fase 3: fisso con alcune viti dei profili in alluminio che servono a mantenere sollevata la base ed evitare di danneggiare i LED quando la lampada è appoggiata alla superficie del tavolo.

Fase 4: foro la base (ed i dissipatori sul lato opposto) e filetto i fori (diametro 3mm). Alcuni servono per fissare più saldamente i dissipatori alla lamiera, altri per attaccare i LED (non voglio incollare i LED, in modo da poterli sostituire facilmente se ce ne fosse bisogno)

Fase 5: tramite viti da 3mm fisso i LED alla base e li collego in serie con dei cavetti saldandoli a stagno.
Fase 6: ho terminato di installare le 2 serie da 5 LED rossi l'una, ora è il turno dei 4 blu e dei 4 verdi.
Fase 7: applico le ottiche ai LED fissandole con una goccia di adesivo termico.

Fase 8: monto sulla basetta forata i 4 drivers 3021 BuckPuck. Saldo ognuna delle 4 serie di LED al proprio driver. Collego l'alimentazione dei 4 drivers ad un morsetto. Saldo i pin per pilotare l'intensità luminosa a 2 morsetti, in modo che possa in seguito connetterli al "cervello" di Greenduino.

Fase 9: fisso la basetta alla base della lampada.

Fase 10: appendo la lampada nella parte alta dell'armadio utilizzando dei ganci e 4 catenelle di ferro in modo da poter regolare l'altezza della lampada dal suolo.

Ora non resta che collegare l'alimentatore da 24V e...

La luce sul fondo dell'armadio risulta uniforme ed i colori ben miscelati, penso che le coltivazioni gradiranno.

Presto nuovi aggiornamenti del progetto Greenduino!

La ricerca è stata presentata da Steven Britz del "U.S. Department of Agriculture in Beltsville" nel 2009 in occasione della "Conference on Lasers and Electro Optics/International Quantum Electronics Conference (CLEO/IQEC)" tenutasi dal 31 Maggio al 5 Giugno 2009 al Baltimore Convention Center.

La lattuga viene esposta a raggi ultraviloletti, che vengono assorbiti da composti polifenolici presenti nello strato esterno delle cellule. Alcuni di questi composti sono rossi ed appartengono alla stessa famiglia che da colore alle bacche ed alla buccia della mela. Il loro scopo è bloccare le radiazioni ultraviolette che possono danneggiare e mutare il DNA della pianta,  compromettendo così il processo di fotosintesi, ed aumentano in conseguenza all'esposizione della luce UVB, per proteggere la pianta.
Questi composti polifenolici sono potenti antiossidanti, benefici per la salute umana in quanto migliorano le funzioni celebrali e rallentano l'usura da invecchiamento.
La luce UVB è una componente naturale della luce solare e, in piccole quantità, aiuta il corpo umano a produrre vitamina D.

Steven Britz ha espossto le piante di lattuga ad una luce UVB in quantità paragonabile a quella che si assorbirebbe in una giornata soleggiata passata in spiaggia, ossia circa 10 milliwatt per metro quadrato.
Per l'illuminazione sono stati utilizzati LED con un picco di lunghezza d'onda dai 282 ai 296 nm (nanometers)
Dopo 43 ore di esposizione della lattuga si è potuto osservare un arrossamento, differentemente dalle piante esposte ad una normale luce bianca. L'effetto ottenuto pare aumentare con l'intesità della luce utilizzata.

Lattuga con 3 differenti tipi di illuminazione UVB

I risultati ottenuti possono avere un risvolto pratico nelle coltivazioni indoor invernali, specialmente nei climi nordici, visto che le piante ricevono dal sole poche radiazioni UVB

Britz anche discusso la possibilità di utilizzare UV LED per preservare i nutrienti nelle verdure che sono già state raccolte.  Esperimenti precedenti hanno dimostrato che la buccia di una mela rimane rossa per un periodo di tempo più lungo, quando esposta alla luce ultravioletta. I LED UVB sono una tecnologia promettente che, attraverso l' irradiazione di ortaggi conservati a bassa temperatura, consente di mantenere o addirittura incrementare la quantità di fitonutrienti che contengono.

Le informazioni di questo articolo sono state tratte dal blog ledgrowlights.blogspot.com

Il progetto di lunghi viaggi spaziali, come quello per portare l'uomo su Marte,  si scontra con la necessità di garantire all'equipaggio cibo ed aria fresca durante la permanenza nello spazio.

Le tradizionali lampade di crescita non sono un'opzione praticabile, visto l'elevato consumo di energia ed il calore emesso. Per questo motivo la ricerca di soluzioni alternative è orientata sempre di più verso sistemi che utilizzano pannelli a LED, che presentano notevoli vantaggi come efficienza energetica, spettro di emissione stabile, maggiore sicurezza, bassa emissione di calore, durata più lunga, piccole dimensioni.

Ho trovato del materiale molto interessante  negli archivi della "American Society for Gravitational and Space Biology" ed in particolare in queste 2 pubblicazioni da cui ho tratto la maggior parte delle informazioni di questo articolo:

• "DEVELOPMENT AND TESTING OF AN EFFICIENT LED INTRACANOPY LIGHTING DESIGN FOR MINIMIZING EQUIVALENT SYSTEM MASS IN AN ADVANCED LIFE-SUPPORT SYSTEM." del 2005 (Gioia D Massa, Jeffrey C Emmerich, M E Mick, R J Kennedy, Robert C Morrow, Cary A Mitchell)
• "PLANT-GROWTH LIGHTING FOR SPACE LIFE SUPPORT: A REVIEW" del 2006 (Gioia D Massa, Jeffrey C Emmerich, Robert C Morrow, C Mike Bourget, Cary A Mitchell)

Il programma "Advanced Life Support" (ASL) della NASA tratta anche lo sviluppo di colture per la produzione di cibo, in supporto alla vita umana in ambiente extraterrestre.
Per i motivi precedentemente descritti i LED si sono dimostrati la scelta ideale per l'illuminazione di camere di crescita, se rapportati con gli altri tipi di lampade. In particolare i LED rossi con una lunghezza d'onda di 640 nm si sono rivelati i più efficienti, in quanto la loro luce contribuisce per circa il 96% del processo di fotosintesi clorofilliana. Gli esperimenti hanno dimostrato che diverse specie vegetali possono essere coltivate con successo con la luce dei LED, fra cui gli spinaci, la lattuga, il radicchio, il frumento e le patate. In generale, per una normale crescita, è richiesto anche il 15% di LED blu a 440 nm, che permette di equiparare la resa ottenuta, con colture cresciute con luce bianca.
Alcune ricerche hanno dimostrato la necessità di un'intensa luce blu nella fase iniziale di crescita per ridurre l' allungamento dell'ipocotile.  E' stato provato che anche una percentuale di luce verde può avere effetti benefici sulla crescita.
Lo "Specialized Center of Research and Trainingin Advanced Life Support (ALS NSCORT)" della NASA in collaborazione con "Orbital Technologies Corporation (ORBITEC)" hanno sviluppato un array riconfigurabile di pannelli a LED in grado di ridurre l'energia richiesta per crescere piante con luci elettriche.

Ogni pannello di LED è un quadrato di 6,25 cm² composto da 100 LED cosi suddivisi:

• 64 LED rossi a 640 nm
• 16 LED blu a 440 nm
• 20 LED verdi a 540 nm + 2 fotodiodi

Le ridotte dimensioni del pannello e la vicinanza dei LED permettono di ottenere uno spettro emesso uniforme.
Dato che la corrente del circuito è controllata separatamente per ogni colore, sia il rapporto rossi/blu, che la loro intensità, possono essere modificati continuamente.
20 pannelli di questi pannelli a LED sono montati su un supporto lineare (array) lungo circa 65 cm. In cima ad esso è collocata una scatola elettrica che contiene 2 ventilatori utilizzati per aspirare l'aria dal basso verso l'alto del supporto. Questo metodo di rafreddamento permette alle piante di crescere vicino alla fonte di luce senza bruciarsi.

Immagine tratta dalla pubblicazione "DEVELOPMENT AND TESTING OF AN EFFICIENT LED INTRACANOPY LIGHTING DESIGN FOR MINIMIZING EQUIVALENT SYSTEM MASS IN AN ADVANCED LIFE-SUPPORT SYSTEM."

Come si può dedurre dalle pubblicazioni e dal disegno tecnico sopra riportato le dimensioni dei LED utilizzati sono estremamente piccole: i LED rossi sono disposti su 4 file da 16 LED e, se il lato del circuito stampato su cui sono montati misura 2,54cm di lato, il diametro di ogni singolo LED non supera 1,5 millimetri.

L' array di pannelli LED generalmente è disposto verticalmente nella camera di crescita ed è predisposto in modo che i singoli pannelli possano essere accesi in sequenza iniziando con i pannelli bassi in modo da seguire la crescita verticale della pianta. In questo modo non viene sprecata energia, sopratutto nella fase iniziale di crescita in cui la pianta è di dimensioni ridotte, consentendo di accendere con il giusto livello di potenza solo i pannelli che servono per illuminare le foglie.
I fotodiodi montati su ogni pannello hanno lo scopo di rilevare la prossimità di elementi verdi (la pianta) in modo da poter gestire automaticamente l'accensione dei LED quando delle foglie sono posizionate davanti ad essi.

In alternativa alla configurazione verticale, gli array di pannelli possono essere anche disposti orizzontalmente uno accanto all'altro sopra le piante, formando cosi un unico grande pannello che fa da tetto alla camera di crescita.  Questa disposizione dei pannelli è l'ideale per illuminare la lattuga e il frumento nano. Non è però consigliabile per piante che si sviluppano in verticale come i fagioli, perchè è stato osservato che queste piante tendono a crescere molto nella parte alta dellla camera di crescita, vicino ai pannelli LED, producendo un raccolto minore rispetto all'utilizzo degli stessi array di LED disposti in verticale ed alimentati con lo stesso quantitativo di energia.

Spero che tutte queste informazioni possano allontanare ogni dubbio sulla reale efficacia delle lampade di crescita a LED ed essere di aiuto a chi, come me, ha intenzione costruirle e di sperimentarle in coltivazioni indoor.

Come funzionano ?
Ogni pigmento delle piante assorbe alcuni colori di luce meglio di altri.  La clorofilla assorbe molto bene la luce rossa e quella blu, ma non quella verde; dato che la pianta utilizza la clorofilla per la fotosintesi, questo processo risulta più efficiente con luce rossa e blu che con l'equivalente di luce verde.

Spetro di assorbimento della luce e fotosintesi clorofiliana

Le classiche lampade di crescita (HID, incandescenza, fluorescenza), utilizzate per coltivazioni indoor, producono una luce con lunghezza d'onda da 380 nm (lampade UV) a circa 880 nm (lampade a infrarossi).
Le piante utilizzano lunghezze d'onda da 400 nm (luce blu) a 700 nm (luce rossa) dunque tutte le normali lampade di  crescita emettono una buona parte di luce che le piante non sfruttano efficacemente.

Vi sono inoltre altri svantaggi nell'uso di lampade normali:

• il calore emesso che impedisce di collocare la fonte di luce troppo vicino alle piante
• l'elevato consumo energetico
• la durata della fonte di luce ( i neon andrebbero sostituiti ogni anno perchè perdono la loro luminosità)

Da pochi anni si stanno sperimentando coltivazioni indoor con lampade a LED (Light Emitting Diode) ,  li ha utilizzati anche la NASA per illuminare colture idroponiche nello spazio!

Non presentano tutti gli svantaggi delle tradizionali lampade, ma molti benefici:

Led ad alta luminosità e basetta preforata

• consumi bassissimi di energia ( si può risparmiare fino al 90% rispetto ad una normale lampada a incandescenza o fluorescenza)
• durata elevata (dagli 8 ai 15 anni di vita)
• poco calore emesso ( si evitano così problemi di surriscaldamento, consentendo di posizionare le luci vicino alle piante)
• basse tensioni di alimentazione, come 12 Volt
• copertura uniforme delle superfici illuminate, grazie all'angolo di proiezione della luce
• possibilità di sperimentare differenti combinazioni di colori (proporzione variabile fra luci rosse e blu)

Il pannello di LED autocostruito in funzione

In vendita si possono trovare pannelli di LED costruiti a questo scopo, relativamente economici (un pannello da 900 LED misti circa 120 euro). Basta una semplice ricerca in internet (cercando "LED grow lamp").

Per il mio piccolo terrario ho deciso di costruire due piccoli pannelli a LED, in modo da poter sperimentare questa innovativa tecnologia di illuminazione sulle mie piante carnivore.

Ecco cosa ho utilizzato per la realizzazione di un pannello luminoso di 48 LED alimentato a 12 Volt :

• una basetta preforata per circuiti
• 12 LED blu ad alta luminosità (3.3V) con lunghezza d'onda di 465nm (nanometer)
• 36 LED rossi ad alta luminosità (2 V) con lunghezza d'onda di 650nm (nanometer)
• 4 resistenze da 120 ohms
• 6 resistenze da 1 ohms
• un alimentatore 12 V DC
• un timer meccanico per gestire accensione e spegnimento delle luci
• saldatore, filo e stagno

Per calcolare il circuito e le resistenze ho utilizzato un comodo tool online con il quale si possono progettare altre varianti. Ecco il mio circuito che in totale dissipa circa 2,5 W:

Circuito elettrico del pannello LED

Qui sotto potete vedere l' impianto di illuminazione completo in funzione!

Impianto di illuminazione completo

Come supporto per i pannelli luminosi ho riciclato un lampadario Ikea, che ha il vantaggio di essere dotato di due porta lampade orientabili in ogni direzione e movibili sulle guide di supporto, le quali servono anche per portare l' alimentazione. La sicurezza dell'impianto è garantita dalla bassa tensione utilizzata, 12 Volt, che otteniamo dal trasformatore  la cui accensione è regolata dal semplice ed economico timer meccanico.

Dopo poco più di una settimana dalla realizzazione del terrario e dalla messa in funzione dell'illuminazione le piante carnivore sembrano gradire molto le luci.
A presto nuovi aggiornamenti !