Attività pratica: L'uso dei nastri di LED Parte 1 – Creazione di un'illuminazione residenziale sottopensili

Nota del redattore: l'illuminazione a LED è un progetto fai-da-te ideale, perché è divertente, appagante e gratificante. La Parte 1 di questa serie in due parti illustra come implementare un progetto di illuminazione sottopensili. La Parte 2 mostra come sostituire l'illuminazione del forno a microonde per intonarla alla temperatura cromatica.

I LED stanno sostituendo l'illuminazione con lampade fluorescenti e a incandescenza in molte applicazioni esistenti, ma le scelte disponibili per l'illuminazione sottopensili sono sorprendentemente scarse. Per gli appassionati di fai-da-te, tuttavia, i LED con tecnologia a montaggio superficiale (SMT), forniti pre-saldati su lunghi nastri e stringhe, sono candidati ideali per creare applicazioni di illuminazione personalizzate, in quanto sono piccoli, leggeri e presentano consumi relativamente bassi.

Le stringhe di LED offrono anche altri vantaggi. Sono facili da utilizzare, perché è possibile tagliarle con facilità con un paio di forbici affilate, e sono dotate di un adesivo pre-applicato che consente di incollarle quasi ovunque. I LED sono inoltre alimentati a 12 V, e sono quindi sicuri da utilizzare.

Questo articolo descrive un progetto pratico per la creazione di un'illuminazione sottopensili in una cucina per uso residenziale utilizzando soltanto un nastro di LED lungo 5 metri, un dimmer a controllo remoto RF, alcuni connettori a bassa tensione e un alimentatore a commutazione a 12 V. Il sistema di luci compatto così ottenuto assicura un'illuminazione pratica e gradevole di un'area di un banco (ed è in realtà in grado di elevare il livello di illuminazione di qualunque area di lavoro).

"Tesoro, ti spiacerebbe…?" L'origine di numerosi progetti creativi

Come per molti progetti creativi, anche questo è partito da una richiesta da parte del coniuge. Nella nuova casa si sentiva molto la mancanza dell'illuminazione sottopensili realizzata nell'abitazione precedente. Il banco della cucina richiedeva più luce. Per il progetto precedente, sviluppato oltre dieci anni prima, era stato necessario utilizzare singole stringhe di LED incapsulate della lunghezza di circa 30 cm, i cui LED erano distanziati di qualche centimetro gli uni dagli altri.

La necessaria alimentazione elettrica a 12 V era fornita da un laptop e da un controller di illuminazione personalizzato che utilizzava una scheda di controllo motori con modulazione con codifica a impulsi (PCM) basata su un microcontroller a basso costo con un codice speciale scritto da un appaltatore per 90 dollari. Il cablaggio di tale sistema precedente era esageratamente sovradimensionato, in quanto utilizzava fili e connettori in grado di trasportare correnti dieci volte superiori a quelle necessarie.

Che differenza fanno dieci anni!

Anzitutto, molti fornitori offrono sistemi di illuminazione sottopensili a LED di serie in vari formati. Una breve analisi rivela che tali sistemi rientrano in due categorie:

• Sistemi di illuminazione sottopensili a LED economici, in vendita presso le catene di magazzini di articoli per bricolage, che contengono un numero di LED insufficiente per assicurare un'illuminazione intensa e uniforme, e sono privi di un controllo del dimmeraggio adeguato.
• Magnifici apparecchi di illuminazione in vendita presso negozi specializzati, al costo di parecchie centinaia di euro.

Per un tecnico o un creativo, l'assenza di alternative di illuminazione sottopensili a prezzi decorosi si trasforma in un eccellente progetto creativo fai-da-te, nonché in una gradita sfida.

Partire dai LED

L'avvento dei LED SMT ha ampliato notevolmente la gamma delle possibili applicazioni di illuminazione. Uno sviluppo molto interessante è costituito dall'introduzione di nastri e stringhe di LED come il nastro flessibile a LED ZFS-155000-CW di JKL Components, fornito in matasse da cinque metri (Figura 1). Il nastro è largo 15 millimetri e dispone di 1.200 LED totali.

Figura 1: I nastri di LED SMT come questo nastro di LED flessibile a doppia fila ZFS-155000-CW di JKL Components consentono di progettare con facilità un'illuminazione sottopensili personalizzata. (Immagine per gentile concessione di JKL Components)

Questi nastri continui a LED contengono una doppia fila di LED e resistori SMT, e richiedono quindi soltanto una semplice alimentazione elettrica a 12 V per accendere la luce. La doppia fila di LED di questo specifico nastro genera una quantità di luce doppia rispetto ai nastri di LED a fila singola. I nastri sono formati da singole stringhe di LED flessibili saldate insieme in modo da formare un lungo nastro. Sono inoltre molto sottili, consentendo di realizzare installazioni sottopensili compatte e quasi invisibili.

Una caratteristica fantastica di questi nastri consiste nella possibilità di tagliarli della lunghezza desiderata con un normale paio di forbici. Lungo il nastro sono presenti segni di taglio stampati ogni 25 mm, quindi vi è una notevole flessibilità di dimensionamento delle singole stringhe ricavate tagliando il nastro più lungo. Per il progetto di illuminazione sottopensili illustrato in questo articolo sono state utilizzate stringhe da 90 cm tagliate dalla bobina, che contiene una quantità di nastro sufficiente per cinque di tali stringhe. Il consumo di corrente dell'intera stringa da cinque metri è pari a 4,3 A, quindi ciascuna stringa da 90 cm assorbe circa 774 mA. Diciamo 1 A per avere un certo margine.

Le stringhe di LED sono sostanzialmente schede a circuiti stampati (PCB) flessibili. Le piste di alimentazione a 12 V che forniscono la corrente ai LED SMT corrono lungo l'intera lunghezza delle stringhe. Tagliando queste ultime, a ciascuna estremità della stringa rimangono delle piazzole in rame esposte cui fissare i fili. Le piazzole in rame accettano senza problemi la lega per saldatura, ma occorre avere cura di utilizzare un flussante per pulirle prima di saldarle.

Grazie alle piazzole presenti a ciascuna estremità, è facile collegare una striscia alla successiva con una coppia di fili corti. Nel progetto si è sfruttata tale caratteristica per semplificare il cablaggio.

Un substrato di alluminio offre numerosi vantaggi

L'adesivo presente sul lato inferiore delle stringhe di LED consente di fissarle direttamente alla superficie inferiore dei pensili. Tale soluzione presenta tuttavia numerosi svantaggi:

• Una stringa incollata direttamente alla superficie inferiore dei pensili risulta difficile da sostituire in caso di riduzione della luminosità a causa di un problema dei LED.
• Se le stringhe sono fissate direttamente ai pensili, il legno e la plastica di questi ultimi non offrono in alcun modo un dissipatore di calore per i LED.
• Negli spazi fra i pensili le stringhe di LED sono prive di supporto.

L'uso di una barra di alluminio come substrato delle singole stringhe di LED risolve tutti e tre i problemi indicati. In questo progetto, come substrati delle stringhe di LED sono state utilizzate cinque barre da circa 90 x 3,1 cm, dello spessore di circa 3 mm. Poiché l'isolamento del lato inferiore delle stringhe di LED è fornito principalmente dall'adesivo, sull'alluminio è stato applicato uno strato isolante di nastro in poliimmide color ambra largo circa 2,5 cm, come il prodotto 1205 di 3M. Tale accorgimento fornisce un ulteriore isolamento, che elimina ogni possibilità di cortocircuito e agevola il distacco del nastro di LED dall'alluminio in caso di sostituzione.

Anche il montaggio delle barre di alluminio richiede un minimo di riflessione. L'approccio più semplice consiste nel praticare fori di montaggio direttamente nelle barre di alluminio. Per evitare flessioni occorrono tuttavia vari fori. In questo progetto si sono adottati componenti in alluminio estrusi, forati e con una sezione a "Z" poco profonda, che agiscono come mollette per le barre di alluminio. Tali componenti estrusi sono in vendita presso i negozi di forniture per artisti come dispositivi di uso intensivo per appendere i quadri, e sono perfetti per questa applicazione.

Scelta della fonte di alimentazione e del metodo di dimmeraggio

Una volta selezionati i LED, il passo successivo consiste nella scelta di una fonte di alimentazione. L'intera bobina di LED assorbe meno di 5 A, quindi un piccolo alimentatore a commutazione come il modello LS75-12 da 75 W a 12 V di TDK-Lambda è più che sufficiente per i requisiti di questo progetto. L'alta efficienza dell'alimentatore a commutazione fa sì che non generi una quantità eccessiva di calore. Questo aspetto è importante, perché l'alimentatore sarà montato all'interno di un pensile chiuso, situato sopra il forno a microonde della cucina, e sarà collegato alla stessa presa di alimentazione c.a.

L'alimentatore a commutazione fornisce un'alimentazione elettrica a 12 V affidabile, ma non offre alcuna capacità di dimmeraggio. Dieci anni fa, in un progetto di illuminazione sottopensili precedente, il dimmeraggio aveva richiesto una progettazione personalizzata. Le cose non sono più così complicate. Per le applicazioni a 12 V sono oggi disponibili di serie moduli di dimmeraggio economici con telecomando.

In questo caso, per i LED è stato scelto il dispositivo di controllo remoto wireless ZCTR-08 di JKL Components (Figura 2). Questo kit di 2 unità include un minuscolo controller PWM in linea, da inserire fra l'alimentatore e i LED, e un piccolo modulo di controllo RF palmare dotato di pulsanti di on/off e di controllo del dimmeraggio.

Figura 2: Il modello ZCTR-08 è un telecomando RF per LED progettato specificamente per il dimmeraggio dei sistemi di illuminazione a LED a 12 V. (Immagine per gentile concessione di JKL Components)

Dato che questo controller utilizza comunicazioni RF invece che a infrarossi, non occorre la visibilità reciproca fra le unità, ed è possibile installare il modulo di dimmeraggio all'interno del pensile, accanto all'alimentatore.

Il cablaggio non è così semplice

Poiché le cucine hanno configurazioni differenti, i sistemi di illuminazione sottopensili richiedono schemi di cablaggio diversi. In questo progetto, due stringhe di LED da 90 cm devono essere montate da un lato di un forno centrale a microonde, e tre dall'altro lato. L'alimentatore e il modulo di dimmeraggio devono essere montati sopra il forno a microonde.

Ciascuna stringa assorbe un po' meno di 1 A, quindi un ramo dell'albero di distribuzione dell'energia elettrica deve portare quasi 2 A, e l'altro quasi 3 A. Lo schema di cablaggio per la distribuzione dell'energia elettrica ha pertanto richiesto l'adozione di un cavo con una sezione maggiore per alimentare le due scatole di giunzione, una per ciascun ramo dell'installazione. Il cavo di sezione maggiore deve entrare in una scatola di giunzione situato sotto i pensili alle estremità opposte di una parete della cucina. Dalle scatole di giunzione escono cavi più sottili che alimentano le singole stringhe di LED su ciascun lato della cucina.

Su un lato dell'installazione, due stringhe di LED devono essere montate fisicamente in serie utilizzando le caratteristiche del cablaggio interno delle stringhe stesse per unire l'estremità di una con la successiva, evitando così di utilizzare un tratto di cavo aggiuntivo proveniente dalla scatola di giunzione.

Sono state utilizzate due scatole di giunzione elettrica 1590B di Hammond Manufacturing con involucro in alluminio pressofuso. Tali involucri sono ideali per questo tipo di applicazione. Si tratta infatti di unità piccole, robuste, economiche e facili da forare e lavorare con utensili manuali. Un foro di medie dimensioni praticato mediante una punta multidiametro fornisce il punto di ingresso per il cavo con sezione maggiore proveniente dall'alimentatore, mentre un piccolo foro praticato a un'estremità dell'involucro permette l'uscita dei due cavi più sottili che alimentano le stringhe di LED (Figura 3). Una morsettiera a striscia situata all'interno dell'involucro consente di collegare il cavo di alimentazione con sezione maggiore ai due cavi di distribuzione più sottili.

Figura 3: Un involucro pressofuso 1590B di Hammond Manufacturing fornisce una cassetta di distribuzione elettrica semplice e di uso intuitivo. La figura mostra l'involucro di alluminio avvitato sul lato inferiore del pensile della cucina. Il cavo con sezione maggiore è collegato ai moduli wireless di dimmeraggio dei LED, e i due cavi più sottili alimentano due stringhe di LED tramite connettori JST. (Immagine per gentile concessione di Steve Leibson)

Il diagramma a blocchi dell'intero sistema mostra l'alimentazione elettrica a 12 V diretta alle stringhe di LED (Figura 4).

Figura 4: Il diagramma a blocchi del sistema di illuminazione a LED progettato mostra l'intero schema dei collegamenti elettrici dell'installazione, dall'alimentatore a 12 V alle stringhe di LED. Si noti che l'alimentazione passa attraverso la stringa di LED superiore più a sinistra per alimentare una seconda stringa di LED cablata in serie. (Immagine per gentile concessione di Steve Leibson)

I cavi di alimentazione con sezione maggiore diretti alle cassette di distribuzione sono lunghi circa 3,3 metri. Per evitare una caduta di tensione eccessiva su tale tratto, si è utilizzato un filo rosso/nero AWG 12 per diffusori. Per questa applicazione tale scelta è probabilmente sovradimensionata, ma il filo era disponibile.

La scelta del collegamento fra le scatole di giunzione e le stringhe di LED è risultata più complessa. Le stringhe di LED da 90 cm sono state progettate dal punto di vista meccanico per risultare facilmente sostituibili; ciò significa che anche il progetto elettrico deve agevolare le operazioni di smontaggio e rimontaggio utilizzando dei connettori.

La maggior parte dei connettori fra le due scatole di giunzione e le stringhe di LED deve trasportare una corrente inferiore a 1 A, ma due di tali stringhe sono state cablate in serie, dando luogo a un flusso di quasi 2 A tramite un solo connettore. Per questo progetto occorrevano connettori affidabili ed economici, e la serie RCY di JST con una capacità nominale di corrente di 3 A soddisfano ampiamente tali requisiti. Questo progetto utilizza cavi assemblati basati su prese RCY SYR-02T, su contatti maschio SYM-001T-P0.6, su connettori maschio RCY SYP-02T-1 e su contatti femmina SYF-001T-P0.6, tutti di JST. La Figura 3 riportata sopra mostra tali connettori compatti di colore rosso brillante. I connettori JST RCY sono di uso comune per i collegamenti di alimentazione a batteria a bassa tensione in numerose applicazioni hobbistiche e creative.

Per tali collegamenti di alimentazione sono di uso comune anche gruppi di connettori e cavi assemblati precablati affidabili ed economici con capacità nominale di corrente adeguata, come la serie di cavi 2880 di Adafruit. Sarebbero stati ideali anche per questo progetto.

Sia fatta luce

L'esecuzione dei fori, il bullonaggio di tutti i componenti al loro posto e l'esecuzione di tutti i collegamenti elettrici ha richiesto un'intera giornata. Tutto l'impegno di pianificazione descritto in precedenza ha tuttavia dato i suoi frutti, ed è stato necessario affrontare poche sfide impreviste. L'intera installazione è compatta e quasi invisibile. La prima pressione sul pulsante di on/off del telecomando RF ha fatto accendere immediatamente tutte e cinque le stringhe di LED, e anche il loro dimmeraggio è avvenuto a comando esattamente come previsto.

Figura 5: Il sistema di illuminazione completato fornisce una luce intensa e uniforme, e tutti i dispositivi e i fili sono a malapena visibili. (Immagine per gentile concessione di Steve Leibson)

Ma soprattutto, il coniuge è stato molto soddisfatto del risultato finale.

Conclusione

Come mostrato, i nastri di LED rappresentano un modo versatile per realizzare numerose illuminazioni molto compatte e facili da implementare. Questi risultano eccellenti in particolare quando vengono impiegati per creare lunghi tratti di illuminazione lineare.

Il nastro di LED utilizzato nella Parte 1 di questa serie in due parti è disponibile in matasse da 5 m, dai quali sono stati tagliati cinque tratti da 90 cm. La Parte 2 mostra come utilizzare il nastro di LED rimanente per sostituire l'illuminazione del forno a microonde in modo da intonarla alla temperatura cromatica dei LED sottopensili.