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Lumino Votivo Eterno ad Energia Solare

Indice Argomento Corrente

1) Fonte di alimentazione

2) Illuminazione

3) Scelta dei led

4) Espedienti

5) Pannello solare

6) Contenitore e fiamma in vetro

7) Inizio dei test del pannello fotovoltaico

8) Test diodo led

9) Calcoli e progetto finale

10) Assemblaggio

11) Durata

12) Modifica con fotoresistore

13) Considerazioni finali

Nella mia vita ho veramente progettato di tutto ma mai avrei pensato di progettare un lumino votivo per cimitero, per intenderci quelli che vengono posti davanti ai tombini o sulle lapidi.
L'idea mi è venuta quando malauguratamente ho fatto fare la lapide per mio padre e, seguendo il consiglio del marmista, non ho fatto mettere il lumino.
Dopo le rimostranze di alcuni miei parenti devoti ho realizzato che per metterlo avrei dovuto far smontare tutta la lapide per collegare i fili alla rete elettrica.
A quel punto ho pensato di realizzarne uno io, possibilmente eterno (o meglio della durata presunta di 10-20 anni in funzione dell'invecchiamento dei componenti), ad energia solare.
Calcolatrice alla mano ho verificato matematicamente la possibilità di farlo e mi sono messo a progettarlo.

1 - Fonte di alimentazione (Batteria)

Mi sono orientato su una batteria abbastanza grande di tipo 26650 accreditata di 5000 mA/h e una tensione di 3,7V (range possibile di tensione in funzione del grado di carica da 2,7V a 4.2V).
La batteria l'ho scelta fra quelle di qualità per non avere problemi anche se il costo è relativamente alto.
Facendo un po' di conti, una volta carica può alimentare un led che assorbe 1mA (sottoalimentato) per ben 5000 ore, ovvero circa 208 giorni.
Senza calcolare l'auto-scarica che tuttavia in questo tipo di batteria è abbastanza limitata.
Questo genere di batteria va caricata ad una tensione massima di 4,2V.
La batteria verrà ricaricata con un piccolo pannello solare fotovoltaico che fornisce 6V e 100 mA in condizione di luce solare diretta (dati di targa).

2 - Illuminazione

Per l'illuminazione mi sono ovviamente avvalso dei led che hanno un buon rendimento e una buona durata specie se sottoalimentati. Occorre trovarne uno che lavori bene anche sottoalimentato oppure un modello appositamente progettato per lavorare a bassa corrente.

3 - Scelta del led

La scelta del led è stata dettata dalla fisica. Il colore per cui l'occhio umano ha di gran lunga più sensibilità è il verde.
Quindi a parità di flusso luminoso la luce percepita, se verde, è molto più intensa.
Quindi a parità di luce percepita per il colore verde l'energia che dovremo spendere a scapito della batteria sarà minore.
Un'altra cosa che è bene prendere in considerazione è che un led che non sia bianco emette la luce del colore che vediamo mentre in genere il led bianco emette della luce ultravioletta che eccita dei fosfori che emettono la luce bianca quindi le possibilità di malfunzionamento e decadimento delle prestazioni sono maggiori, si potrebbe danneggiare il led ultravioletto o i fosfori.
Quindi negli anni un led bianco è meno affidabile.
Inoltre un led bianco in condizioni di luce ambiente intensa non si vede, si confonde con la luce ambiente.

Per ottimizzare la visione della luce da parte dell'occhio dovremo fare in modo che una parte rilevante della stessa venga dirotatta nella direzione di questo.
Il led che ho acquistato ha un angolo di radiazione molto stretto, dell'ordine dei 20-30 gradi quindi la soluzione ottimale è deflettere in parte questo raggio utilizzando un sistema di diffusione.
Allo scopo dopo vari esperimenti ho adottato la soluzione di lavorare leggermente la parte superiore del led con della carta abrasiva di piccola grana (400) in modo la renderla meno trasparente e fungere da diffusore di luce come un vetro smerigliato.
Per migliorare ulteriormente l'effetto la parte del led non rivolta verso l'osservatore andrebbe rivestita da un piccolo strato di alluminio lucido (quello per alimenti va bene) che funga da specchio.

4 - Espedienti

L'orario di visita al cimitero in genere è durante il giorno, quindi la massima luminosità deve essere in corrispondenza di tali ore. Questo complica un po' la cosa in quanto la luce diurna potrebbe rendere meno visibile il lumino.
Quindi si potrebbe optare per un sistema di controllo che utilizza una fotoresistenza allo scopo di aumentare la luce di giorno e attenuarla, per risparmiare la batteria di notte.
In ogni caso al buio anche la più debole luce si vede molto bene.
Diciamo in linea di massima 2 mA di giorno e 0,5mA di notte.

5 - Pannello solare

Il pannello solare è la parte più critica.
La lapide che voglio adornare è all'ombra quindi la radiazione solare è scarsa.
Ho scelto un pannello solare da 6V 100mA ingombro 55x80x3mm, quindi se colpito direttamente dal sole in un'ora carica la batteria per circa 4 giorni.
Quindi è facile calcolarne la resa in pieno sole, tenendo conto di una radiazione solare di 1000W/mq quindi 0,1W/cmq e di una incidenza dei raggi solari rispetto al pannello solare di 90°.
La superficie è di circa 5,5x8=44cmq, quindi 4,4W quindi con un rendimento del 10% circa 0,44W.
Resta da verificare quanto carica con la luce diffusa di un ambiente quasi sempre in ombra.
Allo scopo per migliorare il rendimento ho adottato un pannello a celle di silicio amorfo che ha un rendimento migliore con luce diffusa. Il limite è che in media deve caricare 24mA/h al giorno, quindi almeno 2-3 mA con condizione di luce diffusa.
Leggendo le caratteristiche del pannello, questo dovrebbe produrre il 20-30% della sua energia massima anche in condizioni di ombra ma pessimisticamente mi aspetto al massimo 5-6mA (un 10%).
Altro problema è che in caso di luce solare diretta non deve sovraccaricare la batteria accorciandone la vita, quindi se necessario va previsto un regolatore di carica.

6 - Contenitore e fiamma in vetro

Questa è la parte estetica, la fiamma in vetro (la parte superiore da cui si vede la luce) l'ho acquistata su internet in un sito di arredi funerari e non avete idea di quanto costa.
Più la fiamma di vetro è lavorata più si ottengono giochi di luce.
Il contenitore l'ho realizzato in legno di faggio, partendo da un "quadrotto" (quindi dal pieno) e fresandolo all'interno per alloggiare la batteria e l'elettronica.
Poi ho smussato i bordi per raccordarlo con la struttura curvilinea della fiamma utilizzando una levigatrice a nastro, ma si può utilizzare anche una fresatrice.
Ovviamente il legno va impregnato per essere a tenuta di intemperia e il tutto deve essere sigillato e a prova di acqua.
L'estetica oltre che funzionale sarà anche gradevole.
La scelta è quella di integrare tutto nella struttura della lampada compreso il pannello solare, per motivi di praticità evitando di mettere il pannellino solare a parte che comporterebbe far girare dei fili.
Il tutto verrà fissato in loco (sulla lapide) utilizzando un adesivo siliconico in modo da non essere facilmente rimosso (vedi rubato!!).

7 - Inizio dei test del pannello fotovoltaico

Questo test condiziona tutto il progetto in quanto tutto andrà strutturato in funzione della energia prodotta dal pannello.
Il pannello fotovoltaico verrà testato nelle due condizioni classiche, ovvero con luce diffusa e con luce solare diretta rilevando le rispettive tensioni a vuoto. Ora verrà misurata la corrente erogata collegandolo alla batteria per avere dei dati certi.

Misure eseguite in inverno utilizzando un multimetro digitale

Con sole diretto	7,41V	A vuoto
	66 mA	In cortocircuito
Luce diffusa	6V	A vuoto
	4 mA	In cortocircuito
Con batteria collegata in sole pieno (batteria carica a 4V)	60 mA	Batteria collegata con diodo antiritorno
Con batteria collegata con luce diffusa (batteria carica a 4V)	3 mA	Batteria collegata con diodo antiritorno

Come c'era da aspettarsi i dati ricavati differiscono totalmente da quelli di targa.
C'è anche da considerare che in inverno la radiazione solare è molto più contenuta e meno duratura rispetto all'estate.
I dati tuttavia confermano che il progetto è possibile.

8 - Test diodo led

E' necessario avere dei dati certi per quello che riguarda la tensione ai capi del led alimentandolo a varie correnti.
I dati di targa sono riferiti all'assorbimento standard di 20 mA da cui ci discostiamo considerevolmente.

Misure eseguite sui led utlizzando un alimentatore da laboratorio e un multimetro digitale

Led Verde	1 mA	2,55 V
	2 mA	2,68 V
	3 mA	2,76 V
	4 mA	2,83 V
	5 mA	2,88 V
	10 mA	3,05 V
Led Bianco	1 mA	2,70 V
	2 mA	2,77 V
	3 mA	2,82 V
	4 mA	2,86 V
	5 mA	2,90 V
	10 mA	3,04 V

9 - Calcoli e progetto finale

A questo punto avendo un'idea dell'energia di cui possiamo disporre cercheremo di ridurre al minimo la complessità.

Elenco Componenti

Componente	Valore
PS	Pannello Solare fotovoltaico 6V 100mA.
Batt.	Batteria a ioni di litio fa 3,7V 5000mA ricaricabile.
Tr1	Transistor NPN di piccola potenza BC817-40 (contenitore SOT23). Può essere sostituito con un altro a parità di hfe.
D1	1N4007. Può essere sostituito con qualsiasi diodo al silicio.
C1	100uF 12V. Questo condensatore può essere rimosso, serve solo per ridurre la velocità con cui il transistor viene pilotato.
DL1-DL2	Diodi led verdi.
R1	1 KOhm 1/4W.
R2	470 Ohm 1/4W.
R3	220 Ohm 1/4W.
DZ1	4,8 V di piccola potenza.

Funzionamento: Il transistor Tr1 configurato come inseguitore di emettitore regola la carica della batteria utilizzando la tensione ai capi del diodo zener Dz1 da 4,8V.
Sull'emettitore di Tr1 avremo una tensione massima che è data dalla tensione sul diodo zener meno la tensione di polarizzazione diretta della giunzione Base-Emettitore di Tr1, (4,8V-0,6V) quindi 4,2V.
Non isistono diodi zener a 4,8V quindi dovremo assemblarlo utilizzando due diodi in serie in modo che le tensioni sommate diano il valore richiesto.
La tensione minima di scarica della batteria è invece data dalla tensione di accensione di DL2 (vedi tabella) più la tensione di polarizzazione diretta di D1 (0,6V) che si attesta su 3,1-3,2V.
La resistenza R2 limita la corrente sche scorre in DL2.
Quando la batteria è carica e Tr1 si interdice la tensione ai capi del pannello fotovoltaico aumenta al punto di polarizzare la serie DL1+DL2 accendendoli entrambi.
Essendo in questo caso alimentati direttamente dal pannello R3 viene dimensionata per far scorrere una corrente relativamente alta senza intaccare la carica della batteria.
Questa condizione si presenta solo quando il pannello è esposto al sole diretto e la batteria è carica al 100% altrimenti avremo l'accensione solo di DL2 con una intesità in funzione della carica della batteria.
In fase di scarica la tensione della batteria passa da 4,2V a 3,1V circa quindi la corrente che attraversa DL2 sarà decrescente in modo da preservare la carica della batteria e va da (VBatt-(VD1+VDL2)/R2)=(4,2-(0,6+2,6))/470=2,1mA a 0 con una corrente media (quando la batteria è a 3,7V) di (3,7-(0,6+2,6))/470=1mA.
Con sole diretto e batteria carica invece la corrente nel ramo DL1-R3-DL2 sarà (tenendo conto di una tensione di pannello di 7V) (VPS-(VDL1+VDL2))/R3 quindi (7-(5,6))/220=6,3 mA circa con due diodi accesi, quindi il lumino dovrebbe essere visibile anche in piena luce solare.
In ogni caso la luce verde sarà molto più visibile di una luce bianca che si confonderebbe con la luce diretta del sole.

10 - Assemblaggio

Il pannello solare è stato fissato al legno con del silicone trasparente in modo da creare una guarnizione a prova di acqua.
La fiamma è fissata nello stesso modo, incastrata nel legno fresato a misura e con del silicone per sigillare il tutto.

Sopra: Primo prototipo con la base realizzata in legno di pino per fare delle prove ed avere un'idea del risultato finale e degli ingombri della batteria e dell'elettronica.
Sono visibili le dimensioni che sono 70x70x90mm e sono riferite al contenitore finale, quello realizzato in legno di faggio..
A destra si nota la parte fresata all'interno per ospitare la base della fiamma e l'elettronica, compresa la batteria.
Nella prossima versione la fresata intena avrà un diametro maggiore, di poco più piccolo della fresata per ospitare la base della fiamma, per ricavare un maggior spazio e alleggerire il tutto.
In ogni caso la struttura è molto robusta.

Materiali definitivi per l'assemblaggio.
La base in legno di faggio non è stata ancora lavorata, mancano gli smussi.
Si nota il pannello solare fotovoltaico e a destra la batteria a ioni di litio da 5000 mA.
Il foro sulla sommità del contenitore è a misura con la fiamma, l'interno è scavato per ospitare la batteria e l'elettronica. La fresata interna arriva a circa 5 mm dal fondo.
La dimensione del contenitore in legno è dettata dall'altezza della batteria e dalla larghezza del pannello solare fotovoltaico.

Sopra i dettagli della lavorazione interna del contenitore di legno.
Nella foto centrale e a destra il dettaglio del "tappo" che separa il led dall'elettronica e dalla batteria realizzato in compensato da 4mm e tagliato con un CNC laser.

Sopra i dettagli della fresatura laterale per far passare i cavi di collegamento del pannello fotovoltaico.

Limino finito. La base è stata verniciata con vernice poliuretanica da esterni per conferire una maggiore resistenza all'acqua.
Per avere una migliore inpermeabilizzazione sarebbe stato meglio immergere tutto il contenitore nella vernice in modo da farla penetrare in profondità nel legno e lasciarlo a bagno per un'ora.
Essendo comunque sigillato, per evitare il formarsi di una pressione interna occorre un piccolo foro su un lato di diametro inferiore ad un millimetro per permettere l'equalizzazione della pressione interna con l'esterno ed impedire per la dimensione il passaggio di acqua.
Nella versione definitiva sono stati pirografate con un incisore laser le croci su entrambi i lati e dietro è stato firmato ed è stata messa la data di fabbricazione.
Per il collaudo è stato posizionato in diversi contesti, luce solare diretta, indiretta, intemperie, freddo intenso e caldo.
Nell'immagine sopra come si evince dall'ombra proiettata sul marmo la luce ambiente è abbastanza intensa, tuttavia la luce emessa dal led è ancora visibile.
Nella prossiva versione verrà utilizzata una vernice con effetto vetrificante per dare un aspetto più lucido al lumino.

Particolare della fiamma in vetro con all'interno il led verde che illumina la sommità. Il vetro della sommità diffonde la luce del led dando un buon effetto visivo.
Per mantenere il led in posizione ho utilizzato dei piccoli fili di rame particolarmente rigidi del tipo con anima ad un solo conduttore.

11 - Durata

La durata di questo lumino se ben assemblato e con componenti di prima scelta dovrebbe essere di parecchi anni, diciamo che dopo 10 anni la batteria avrà perso almeno il 20% della sua capacità e il pannello anche un 30%, tuttavia dovrebbe continuare a funzionare.
I led sottoalimentati in teoria dovrebbero durare molto di più.

12 - Modifica con fotoresistore

Aumentiamo un po' la complessità del circuito.

Elenco Componenti

Componente	Valore
PS	Pannello Solare fotovoltaico 6V 100mA.
Batt.	Batteria a ioni di litio fa 3,7V 5000mA ricaricabile.
Tr1-Tr2	Transistor NPN di piccola potenza BC817-40 (contenitore SOT23). Può essere sostituito con un altro a parità di hfe.
DL1	Diodi led verde.
DZ1	4,8 V di piccola potenza.
D1	1N4007. Può essere sostituito con qualsiasi diodo per uso generico al silicio.
Ft1	Fotoresistore GL5516 Resistenza con luce 5-10KOhm resistenza al buio 0,5 MOhm.
R1	1 KOhm 1/4W.
R2	1,8 KOhm 1/4W.
R3	8,2 KOhm 1/4W.
R4	220 Ohm 1/4W.

Caratteristiche Salienti Transistor BC817-40

Tipo Misura	Sinbolo Comune	da	a	Condizioni di test
DC Current Gain	hFE	250	600	VCE = 1.0V, IC = 100mA
DC Current Gain	hFE	170		VCE = 1.0V, IC = 300mA
Collector-Emitter Saturation Voltage	VCE(Sat)	0,7V		IC = 500mA, IB = 50mA
Power Dissipation	PD	310mW

Nel circuito dell'immagine sopra la modifica per controllare la corrente di accensione del led con un Fotoresistore.
Quindi di giorno quando la luce è meno visibile viene aumentata la corrente che circola nel led mentre di notte, periodo in cui nessuno vede la luce perchè si suppone che nessuno vada al cimitero di notte, la corrente viene ridotta. Il transistor Tr2 viene impiegato come interruttore. Tutta la parte di alimentazione della batteria rimane uguale allo schema precedente.

Ma facciamo un po' di conti senza troppe pretese di precisione:

• La resistenza del Fotoresistore in condizione di luce diurna è 50 KOhm.
• La tensione di soglia Base-Emettitore di Tr2 è di 0,6V
• La corrente diurna che passa nel led è 5mA
• La corrente notturna che passa nel led è 0,5mA

Il valore di R3 per cui la tensione ai capi di R3 è circa 0,6V con il Fotoresistore in condizione di luce diurna è 8,2KOhm.
Il valore di R4 deve essere tale per cui con il transistor Tr2 in saturazione passano 5mA, quindi (Vbatt-(VDL1+VCEsat))/0,005 = (4,2-(2,5+0,6))/0,005=220 Ohm.
Il valore di R2 deve essere tale per cui con Tr2 in interdizione devono passare 0,5mA.
Quindi ((Vbatt-(VDL1+VD1))/0,0005)-R4 = ((4,2-(2,5+0,6))/0,0005)-220 = 1980 Ohm quindi per approssimazione 1,8KOhm.
La tensione minima di protezione della batteria è data in condizioni di luce da VDL1+VCEsat=3,1V mentre in condizione di buio VDL1+VD1=3,1V.

Ora analizzeremo il comportamento con batteria non completamente carica ma a 3,7V.
Con una tensione di batteria di 3,7V la corrente che passa su DL1 in condizioni di luce è data da (Vbatt-(VDL1+VCEsat))/R4 = (3,7-(2,5+0,6))/220=2,7mA.
Con una tensione di batteria di 3,7V la corrente che passa su DL1 in condizioni di buio è data da (Vbatt-(VDL1+VD1))/(R4+R2) = (3,7-(2,5+0,6))/(220+1800)=0,29mA.

Partendo da questi valori e con prove di reale luminosità prodotta dal led è possibile variare i valori a nostro piacimento.

13 - Considerazioni finali

La maggiore difficoltà nella costruzione di questo lumino è stato fresare il faggio che è un legno estremamente duro.
Dopo varie prove per impregnare il legno ho utilizzato una miscela di polistirene diluito nell'acquaragia dove ho immerso il legno da trattare, ottenendo una penetrazione dell'impregnante significativa.
Sarebbe stato meglio impregnare sottovuoto ma non ho la macchina adatta.
Per il prossimo limino utilizzerò un legno meno duro che comunque dia garanzie di durata.
Un'altra modifica che farò è creare un sistema per rifrangere la luce del led per renderlo più visibile e direzionare la luce esclusivamente verso l'osservatore.

Nella foto sopra: Lumino posato in opera.