La tendenza degli ultimi anni sta portando sempre di più ad utilizzare strisce led nelle abitazioni come fonte di illuminazione primaria e non più solo decorativa.

Questa modalità di illuminazione infatti risulta molto efficace ed esteticamente accattivante grazie alla grande varietà di profili in alluminio disponibili.

Una delle difficoltà che spesso si incontra nella realizzazione dell’impianto elettrico è quello di dover trovare lo spazio per l’installazione di tutti gli alimentatori, a volte davvero tanti, che alimentano le strisce led. Di solito si usano da uno a più alimentatori, a seconda della potenza installata, per accensione. La collocazione deve inoltre essere curata per contenere la distanza dalla striscia e, a sua volta, per contenere la caduta di tensione. Una camera da letto matrimoniale ha facilmente 4 o più alimentatori (due per i due comodini, uno per l’illuminazione primaria e uno per la secondaria decorativa).

Prima di vedere i vantaggi nell’utilizzare una illuminazione a 48V è bene evidenziare alcune caratteristiche delle strisce led.

Caduta di tensione, numero led ed efficienza

Per poter scegliere una striscia led è importante capire come queste funzionano e, a seconda della tipologia di striscia, quali sono i pregi e difetti.

Dal punto di vista elettrico, a parte la tensione di alimentazione, le strisce si possono distinguere inizialmente in due grandi categorie: con controllo della potenza in tensione (resistenza) e con controllo della potenza in corrente (transistor o circuito integrato). Successivamente si distinguono nel numero di led in serie per ogni circuito. Per le strisce a 24V si va normalmente da 6 led a 8 led (ultimamente anche 9).

Controllo della potenza in una striscia led

La stragrande maggioranza di strisce led sono realizzate con un controllo della potenza in tensione. Questa scelta progettuale avviene per ridurre il costo finale del prodotto e, in moltissime applicazioni, è una scelta poco penalizzante. Ma vediamo come funzionano le due versioni.

Controllo in tensione

Nelle strisce con controllo della potenza in tensione la corrente che circola nei led, e di conseguenza la potenza, è definita con il valore della resistenza posta in serie ai led. Il valore della corrente è infatti data, secondo la legge di Ohm, dalla tensione Vr sulla resistenza diviso il valore della resistenza stessa. Ad esempio con una tensione sulla resistenza di 6V e una resistenza di 100 Ohm si ottiene una corrente di 60mA.

In una striscia a led a 24V con 60 led al metro e taglio ogni 6 led, ipotizzando una tensione nominale dei led (Vf) di 3V, ho una tensione totale sui led di 3V * 6 = 18V e quindi una tensione sulla resistenza di 24V-18V = 6V. Se usassi una resistenza da 100Ohm otterrei una corrente, per ogni taglio di 6 led, di 60mA. Avendo la striscia scelta 10 tagli al metro posso calcolare la potenza al metro: 60mA * 10 = 600mA che corrisponde a 24V * 0,6A = 14,4W al metro.

In condizioni ideali quindi la potenza al metro della striscia si riesce a impostare facilmente con una semplice resistenza. Purtroppo nel mondo reale le cose sono molto più complesse. La prima criticità evidente è l’ipotesi di una Vf di 3V dei led. Questo parametro infatti dipende dal lotto di produzione dei led e può variare di molto. I led vengono però suddivisi per tensione e in fase di produzione si riescono ad avere con una precisione della tensione di 0,1V (ad esempio con la tensione da 2,9V a 3,0V). Questo permette quindi di tarare la resistenza con un valore abbastanza preciso. Peccato però che il valore della tensione del led varia durante l’utilizzo in base alla corrente che percorre il led e alla temperatura del led. Il valore misurato in fase di produzione del led e indicato sulla confezione si riferisce alla tensione Vf a potenza nominale dichiarata. Per il led 2835 si misura a 60mA.

Queste variabilità portano quindi a rendere impossibile l’impostazione esatta della potenza con questa modalità di controllo. Questo è il motivo per il quale si parla di potenza nominale della striscia led e di potenza reale. Nelle nostre strisce led la potenza reale è “circa” il 10% in meno della potenza nominale.

A questo problema, di difficile soluzione in fase di progettazione, si aggiunge un secondo problema legato essenzialmente a come la striscia led verrà usata: la caduta di tensione sul circuito.

La striscia led è infatti un circuito che può essere molto lungo e, a seconda di come viene alimentato, si possono avere cadute di tensione anche molto elevate. Il circuito su cui vengono montati i led ha delle piste di rame che, a seconda dello spessore, ha una resistenza variabile con la lunghezza. Su lunghezze di 5 metri, alimentazione da un lato e potenze sui 13W al metro reali, si possono avere cadute di tensione di 1,5V. Questa perdita di tensione porta a una perdita di potenza, tra l’inizio e la fine della striscia, del 25-30%. Questo significa che se, indicativamente, il primo metro di striscia consuma 13W, l’ultimo ne consuma 9,1W.

E’ evidente quindi che con questa modalità di controllo della potenza in una striscia led è praticamente impossibile stabilire a priori la potenza di una luce installata. Ci sono troppi fattori che ne condizionano la reale potenza.

Controllo in corrente

Nelle strisce led con controllo della potenza in corrente il circuito si complica facendone aumentare il costo ma si riesce a svincolarsi da tutti o quasi i problemi visti nella versione con controllo in tensione. Non è nello scopo di questo testo vedere come questi circuiti funzionano e quali sono i vantaggi e svantaggi delle diverse implementazioni che si possono realizzare.

E’ sufficiente sapere che la parte “attiva” del circuito, che sostituisce la resistenza, riesce a controllare la corrente che circola sul led indipendentemente dalla tensione che alimenta la serie di led. Questi circuiti non sono ovviamente ideali ed è necessario solo evidenziare un problema che bene o male tutti hanno. Per funzionare hanno bisogno di una sufficiente differenza di tensione tra quella di alimentazione e la tensione dei led. Di solito si considera almeno 1V.

Quindi in queste strisce finché la tensione d’alimentazione è superiore a quella dei led di almeno 1V la corrente che circola sui led è sempre la stessa definita in fase di progettazione. Questo comporta che nell’esempio di prima della strip da 13W al metro, la potenza dell’ultimo metro è sempre 13W nonostante la tensione di alimentazione dell’ultimo metro non sia più 24V ma circa 23,5V.

Lo svantaggio di questa soluzione è l’aumento dei costi. Ogni serie ha un controllo in corrente al posto della resistenza.

Numero led in serie ed efficienza

Questo aspetto progettuale delle strisce led è poco noto ma, come vedremo, di estrema importanza in quanto influenza drasticamente le prestazioni della striscia.

La prima caratteristica che varia in una striscia led a seconda del numero di led in serie è l’efficienza. Come sappiamo l’efficienza di una luce si misura in lumen per watt. In una striscia led da 13W al metro, 60 led/m e serie di 6 led che emette 1400 lumen al metro ho un’efficienza di circa 108 lumen/W. Questa striscia ha 10 circuiti serie ogni metro (60 led al metro diviso 6 led). Se cambio lo schema elettrico e porto i led in serie a 7 mantenendo sempre 10 circuiti al metro ottengo una striscia led da 70 led al metro. Se mantengo uguale la corrente che circola sui led mi rimane uguale la potenza al metro, sempre 13W. Cosa succede all’efficienza? La nuova striscia ha 10 led al metro in più della vecchia. Se considero che la luce emessa dei led dipende solo dalla corrente che vi circola sopra ho che la nuova striscia ha 10/60*100 = 16,6% in più di luce e quindi 1630 lumen al metro e un’efficienza di 126 lumen/W.

Se la nuova striscia avesse 8 led in serie avrei una striscia led da 80 led al metro e un aumento dell’efficienza di 20/60*100 = 33,3% (144 lumen/W). Un incremento incredibile al solo costo dei led in più.

Questi miglioramenti si ottengono facilmente cambiando lo schema elettrico delle strisce ma hanno un effetto indesiderato che va tenuto in considerazione. La caduta di tensione nelle strisce led con controllo di potenza in tensione, provoca una caduta della potenza maggiore a parità di caduta.

Prendiamo come esempio sempre la striscia led da 60 led/m, 24V con dei led aventi tensione Vf di 2,8V. Per il calcolo della resistenza da montare, volendo una corrente sui led di 60mA, devo fare: 6 led * 2,8V = 16,8V → 24V-16,8V = 7,2V → R = 7,2V / 0,06A = 120 Ohm.

Nella stessa tipologia di striscia ma con 70 led/m ho invece una resistenza di: 7 led * 2,8V = 19,6V → 24V-19,6V = 4,4V → R = 4,4V / 0,06A = 73 Ohm.

Infine nella versione con 80 led/m ho invece una resistenza di: 8 led * 2,8V = 22,4V → 24V-22,4V = 1,6V → R = 1,6V / 0,06A = 26,6 Ohm.

Come abbiamo detto in precedenza la corrente che circola sui led dipende dal valore della resistenza e della tensione su di essa. I calcoli appena svolti si riferiscono alla condizione ideale all’inizio della striscia led. Se per effetto della caduta di tensione lungo la striscia avessi una perdita di 1,5V la potenza dell’ultimo metro di striscia varierebbe notevolmente a seconda del numero di led in serie. Vediamo infatti che con 6 led in serie ho 5,7V sulla resistenza al posto dei 7,2V calcolati in fase di progettazione. Con questa tensione ho quindi una corrente di 47,5mA sulla resistenza al posto di 60mA (-21%). Nella striscia con 7 led in serie ho 2,9V sulla resistenza al posto dei 4,4V calcolati con una corrente di 39,7mA (-34%). Infine nella striscia con 8 led in serie ho 0,1V (!!!) al posto dei 1,6V calcolati con una corrente di 4mA (-93%).

E’ evidente che in queste condizioni operative la striscia led con 8 led in serie non è utilizzabile in quanto la caduta di tensione ne pregiudica il funzionamento su lunghe distanze. Si può quindi dedurre che le strisce led molto efficienti, con 8 o addirittura 9 led in serie, sono estremamente sensibili alle cadute di tensione e vanno utilizzate con molta attenzione. Inoltre devono essere prodotto con circuiti più spessi (costo maggiore) al fine di ridurre le cadute di tensione e quindi i problemi che questo comporta.

Conclusioni

Come abbiamo visto una striscia led ideale dovrebbe avere un elevato numero di led in serie per ogni ramo e un controllo in corrente per eliminare l’effetto negativo della caduta di tensione.

Un buon compromesso si raggiunge con le strisce led a 48V. Con questa tensione infatti si riesce a fare una serie di 16 led con controllo in corrente, a ridurre le correnti in gioco a parità di potenza e quindi a ridurre la caduta di tensione. Con soluzioni a 48V si riescono a fare tratte di strip lunghe il doppio rispetto alle 24V e a non aumentare eccessivamente il costo della strip dovuto al controllo in corrente (ricordiamo infatti che serve un circuito ogni serie e le strip a 48V hanno la metà delle serie rispetto a una 24V).

Tutto bene quindi? Quasi, il problema maggiore che si ha è il taglio minimo della strip che risulta essere il doppio di quelle a 24V. Per fortuna strisce led con molti led, tipo le 240 led/m, anche raddoppiando la lunghezza del taglio, non risultano particolarmente limitate nelle applicazioni di lighting. Esistono poi accorgimenti che permettono di non risentire del taglio minimo nelle installazioni con profilati montati nel cartongesso (basta nascondere il pezzo di strip eccedente dentro la struttura di cartongesso).

Evoluzione degli impianti

E’ importante fare alcune considerazioni sull’evoluzione degli impianti d’illuminazione con le strisce a 48V.

Una prima modifica importante all’impianto d’illuminazione che si può ottenere grazie alle strisce a 48V è la riduzione sostanziale degli alimentatori necessari per un impianto con la loro localizzazione nel quadro elettrico. Grazie ai 48V infatti è pensabile attuare la distribuzione dei punti luce direttamente a 48V dal quadro elettrico principale non dovendosi preoccupare più di tanto della caduta di tensione e quindi della distanza dei punti luce dal quadro elettrico.

Le scelte dipendono dalle potenze in gioco ma normalmente un punto luce di un’abitazione non supera i 100-150W che corrispondono a 3A. Questo carico si può gestire con un conduttore da 1,5mm2, praticamente quello che si sarebbe usato con un punto luce 230V. Se le potenze sono superiori, come si potrebbe avere nel soggiorno, si può usare un conduttore da 2,5mm2 o più (ma il consiglio è di stendere più conduttori in parallelo e servire pezzi diversi di strisce anche se appartenenti allo stesso punto luce). Un altro vantaggio risiede nella cablatura che risulterà fatta da 2 conduttore al posto di 3 (manca la terra).

Questo sistema permette anche di concentrare tutta la domotica dentro al quadro elettrico tramite dimmer a bassa tensione e di usare un solo alimentatore da barra DIN come i Meanwell xxx-480. I vantaggi si riducono se l’impianto di casa è privo di domotica ma rimangono comunque interessanti. Si possono comandare i singoli punti luce con i comandi da serie civile garantendosi una durata maggiore degli stessi non avendo il problema della corrente di spunto in accensione tipica degli alimentatori (anche 60A!!!).

Avere un alimentatore da 48V potrebbe ottimizzare anche i consumi se lo si utilizza per l’alimentazione degli apparati di rete e di tutte quelle utenze che possono essere alimentate (scegliendole in fase di acquisto) a 48V (switch di rete POE, VDR, router, etc).

La distribuzione a 48V riduce inoltre i campi elettrici presenti in casa generati dalla 230V. Caratteristica a volte richiesta dai clienti.

E’ convinzione dello scrivente che una diffusione dell’uso della bassa tensione per l’illuminazione domestica può portare a molti vantaggi che diventano importanti quando si usa una domotica per il controllo delle luci.

Servirà un po di tempo per permettere ai produttori di apparati di controllo di inserire nel loro catalogo dispositivi adatti a controllare carichi a 48V DC ma questo non dovrebbe tardare molto. Esistono già produttori che forniscono alcuni dispositivi in grado di lavorare con queste tensione e altri che hanno a catalogo controller dichiarati per lavorare a 12-24V ma in realtà in grado di lavorare anche a 48V.

Questa modalità d’installazione è stata usata in un impianto d’illuminazione complesso basato su strisce led CCT a 48V con led ad alto CRI e senza componente blu nel led da 3000K. Tutti i punti luce sono stati cablati a 3 fili (per il CCT) e portati al quadro luci (uno per piano). Tutta la potenza è fornita da 1 o due alimentatori a seconda della potenza massima assorbita dalle luci del piano. Ogni punto luce è quindi controllato da un dimmer KNX. La realizzazione di un impianto così complesso con altri sistemi avrebbe comportato l’installazione (con relativa ricerca di spazio nelle scatole di derivazione) di decine di alimentatori con altrettanti sistemi di controllo complessi (dedicati, dali, o altri), un aumento del cablaggio e una proliferazione importante di problemi nel tempo. Sappiamo che ogni componente che si inserisce nell’impianto si può rompere, meno se ne mettono meno pezzi si possono rompere.

La concentrazione di tutta l’illuminazione nel quadro luci permette anche di gestire eventuali politiche di luci d’emergenza direttamente con le strisce di luce primaria direttamente dal quadro inserendo dispositivi di backup sulle luci scelte. E’ anche pianificabile l’inserimento del quadro luci sotto un eventuale unità di backup legata al fotovoltaico con sistema di accumulo. In questo modo si può, con un piccolo sovra costo, inserire tutte le luci sotto al circuito di backup.

Il primo svantaggio di questo approccio è quello di avere tutte le luci dipendenti da un alimentatore, se si brucia quello tutta la casa è al buio. Per fortuna questi dispositivi sono molto performanti e in alcuni casi si possono anche collegare in parallelo (e quindi dare una certa resistenza alla rottura di un alimentatore).