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Cercheremo di fornire le conoscenze di base per comprendere cosa sono i LED, come funzionano e come questi possano essere impiegati nelle coltivazioni indoor di casa nostra o in quelle più estese di chi ha fatto del giardinaggio la propria ragione di vita e il proprio lavoro. L'articolo inizia con un breve excursus sulla storia dei LED seguito da una spiegazione riguardo il funzionamento, fino a giungere al nocciolo della questione ovvero, come questa tecnologia possa essere applicata alla coltivazione indoor.

greenhouseledCercheremo di fornire le conoscenze di base per comprendere cosa sono i LED, come funzionano e come questi possano essere impiegati nelle coltivazioni indoor di casa nostra o in quelle più estese di chi ha fatto del giardinaggio la propria ragione di vita e il proprio lavoro.

 

 

 

 

 

È doveroso un breve excursus riguardante la storia dei Light-emitting diode (diodo che emette luce) prima di arrivare a parlare delle lampade LED da coltivazione che interessano a noi:

1907 – La prima pubblicazione è quella che l’inglese Henry Joseph Round fa per la rivista “Electrical world” affermando che i materiali inorganici possono illuminarsi se vi si applica corrente elettrica;
1921 – Il fisico russo Oreg Lossew osserva il cosiddetto “effetto circolare” dell’emissione luminosa
1935 – Georges Destriau, fisico francese, scopre l’emissione luminosa nel solfuro di zinco
1962 – È in quest’anno che viene commercializzato il primo diodo a luminescenza rossa (di tipo GaAsP), sviluppato dall’americano Nick Holonyak.
1971 – Grazie allo sviluppo di nuovi materiali semiconduttori, i LED vengono prodotti in nuovi colori: verde, arancione e giallo.
A partire dagli anni ’90 si aggiungono le colorazioni blu, verde (diodo InGaN) e bianco; nel 2006 I diodi fotoemittenti raggiungono I 100 lumen per watt, dando il via ad una escalation che ha portato agli attuali circa 200 lm/Watt di alcuni diodi.

COME FUNZIONANO I LED?

LEDfunzionamentoI LED sono un particolare tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore. Gli elettroni e le lacune (insieme all’elettrone, uno dei portatori di carica che contribuiscono al passaggio di corrente elettrica nei semiconduttori) vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo ricoperte con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune.

Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip, un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce, ovvero fotoni ottici.

L’emissione di fotoni ottici (luce) dipende però dalla temperatura operativa: in generale possiamo osservare che i LED con un wattaggio maggiore, diventano più caldi e meno efficienti, producendo meno lm/W (lumen/watt) poiché l’energia elettrica in più non si trasforma soltanto in luce, ma anche in calore; questo surriscaldamento condurrà al conseguente affievolimento dei lumen (il lumen è l’unità di misura del flusso luminoso basata sulla curva di sensibilità dell’occhio alla radiazione luminosa).

COLORE E SPETTRO DI LUCE

Il colore o frequenza della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione (banda proibita o energia di gap di un isolante o di un semiconduttore è l’intervallo di energia interdetto agli elettroni). L’esatta scelta dei semiconduttori determina dunque il colore, l’efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l’intensità luminosa in uscita.

I LED possono essere formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). A seconda del materiale di cui sono composti, possono sviluppare diversi colori.

Ogni colore, ha una sua temperatura ottimale, al di sopra della quale la resa dello spettro cromatico non è assicurata. La temperatura operativa è una funzione dell’input di corrente elettrica mA (milliampere) e generalmente i LED da 3 watt funzionano a 350mA rendendo circa 1,5 watt di luce; gli attuali diodi in circolazione sviluppano, a seconda delle aziende che li producono e dei materiali, dai 40-60 lm/W ai 200 lm/W. Il problema dunque è spesso proprio la temperatura ottimale, che non deve oltrepassare un certo livello, perchè come abbiamo detto prima, ne riduce l’efficienza rendendo poco precisa la resa cromatica (una precisa resa cromatica è indispensabile per la fotosintesi) e potrebbe bruciare definitivamente il diodo.

Un’ultima spiegazione si rende necessaria prima di poter chiudere il cerchio e spiegare come questa tecnologia dei LED venga impiegata nel giardinaggio indoor.

LUNGHEZZE D’ONDA E FOTOSINTESI

La luce solare, comunemente chiamata soltanto luce, viene emessa dal Sole sotto forma di radiazione elettromagnetica che giunge sul suolo terrestre determinando diversi fenomeni chimici, fisici e biologici. Queste radiazioni sono di vari tipi, non tutte sono visibili all’occhio umano e sono composte ognuna da una precisa lunghezza d’onda in grado di agire in maniera diversa sugli organismi viventi.

Il sole emette radiazioni che vanno dall’ ultravioletto UV 360nm (nanometro = un miliardesimo di metro) di colore viola, all’ infrarosso IR 760nm di colore rosso, lunghezze d’onda entrambe non visibili all’occhio umano.

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Le piante autotrofe dal greco autòs, stesso e trophè, nutrizione (gli unici organismi in natura capaci di trasformare le sostanze minerali in sostanze organiche senza dover ricorrere a sostanze già elaborate da altri esseri) traggono l’energia dalla radiazione solare innescando il processo della fotosintesi che è dipendente dalla luce e per mezzo di essa trasforma le molecole di clorofilla presenti all’interno della pianta, in energia chimica.

La clorofilla si trova in tutte le piante e le alghe, esclusi i funghi, i batteri e poche piante parassite, si forma nel cloroplasto soltanto quando in esso è contenuta una quantità anche minima di ferro e quando la foglia è esposta alla luce.

Sono state individuate due tipologie di clorofilla: la clorofilla A, con formula chimica C 55 H 72 O 5 N 4 Mg formata da 55 atomi e la clorofilla B, C 55 H 70 O 6 N 4 Mg, entrambe di colore verde-giallastro come visibile da una semplice cromatografia su carta. Dal punto di vista fisico la clorofilla assorbe tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile tranne quelle in prossimità dei 490-590nm (corrispondenti al verde-giallastro) riflettendone le radiazioni e proprio per questo motivo, i vegetali assumono questa colorazione.

Attraverso la misurazione dello spettro-assorbimento della clorofilla (spettrofotometria) è stato evidenziato che clorofilla A e B presentano massimi di assorbimento differenti, rispettivamente in A 430-663nm e B 480-650nm, al fine di migliorare l’assorbimento della radiazione solare per la fotosintesi clorofilliana.

640px-Chlorophyll_ab

Come si lega questo discorso alla storia ed al funzionamento dei LED?
Le lampade a LED utilizzate per il giardinaggio indoor, a differenza delle tradizionali lampade al sodio ad alta pressione (HPS) e ioduri metallici (MH) che tendono il più possibile ad imitare il sole producendo una grande quantità di luce visibile, o lumen, funzionano meglio perché imitano il sole soltanto per quelle lunghezze d’onda dello spettro della luce (rosso, rosso scuro 620-750nm, blu, blu scuro 450-495nm) nelle quali sono stati individuati i picchi di assorbimento delle radiazioni solari da parte della clorofilla A e B.

Possiamo dire inoltre che il Lumen non è l’unità di misura della radiazione luminosa più adatta quando si parla di tecnologia LED riguardante la coltivazione, infatti in questi casi è opportuno introdurre il concetto di PAR (radiazioni fotosintetiche attive) quantificato in Micromoli x metro quadrato al secondo o µmol photons m−2s−1 mediante il quale, in pratica, si contano solo i fotoni che hanno lunghezze d’onda tra 400 nm e 700 nm cioè appunto, le radiazioni che sono utili alla fotosintesi e che vengono quantificate circa nel 44% dell’intera radiazione solare.

I progressi tecnologici degli ultimi 5-10 anni hanno fatto sì che i diodi impiegati per la costruzione di pannelli LED per coltivazione indoor raggiungessero comunque un maggior numero di lm/W permettendo così che l’unione di precisione dello spettro di radiazione da una parte e maggiore potenza e penetrazione dall’altra, li abbiano fatti diventare una validissima alternativa alle tradizionali lampade al sodio HPS ed MH.

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Enrico Pionio

5 Comments

  1. Sandro ha detto:

    articolo completo di tutto, molto utile per chi volesse scegliere un led per coltivare le proprie piante. Sinceramente mi trovo bene con i led acquistati su http://www.dreamgarden.it ho avuto ottimi riscontri di crescita e finalmente ho abbassato la bolletta elettrica. Consiglio di leggere altri articoli di questo blog.

  2. […] dei picchi di assorbimento dei diversi tipi di clorofilla con particolari lunghezze d’onda (vedi. LED, LED, LED e ancora LED). Una caratteristica di non tutte le lampade è la nuova soluzione di “spettro dimmerabile”, […]

  3. Giuseppe ha detto:

    Ciao io è da 1 anno che ho i miei pannelli a led e devo dire che mi trovo bene. Nello specifico ho questo modello http://www.green4life.it/lampade-indoor/led.php in una grow box 60×60 e devo dire che le mie piante crescono ottimamente e in pienissima salute. Oltretutto sto risparmiando parecchi soldi sulla bolletta, era il mio scopo principale.

  4. redazione ha detto:

    Ciao Giuseppe, grazie per il tuo commento, sono Cultilite! Mandaci qualche foto della tua coltivazione e se vuoi un report dettagliato di cosa utilizzi e con quali quantità, saremo felicissimi di pubblicare il tutto, per info non esitare a contattarci 🙂

  5. redazione ha detto:

    Ciao Giuseppe, grazie per il tuo commento, sono Cultilite! Mandaci qualche foto della tua coltivazione e se vuoi un report dettagliato di cosa utilizzi e con quali quantità, saremo felicissimi di pubblicare il tutto, per info non esitare a contattarci.

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