Experimento para crear luz solar artificial en casa
(victorpoughon.fr)- Un creador con perfil de software hizo una primera versión de un dispositivo de luz solar artificial más delgado usando una rejilla de lentes y una rejilla de LED, en lugar del enfoque de DIY Perks con LED de 500W y reflector parabólico de 1.2 m
- La clave del diseño fue alinear 36 lentes cuadradas de 30 mm y 36 LED en una matriz de 6x6, colocando cada LED en el foco de su lente correspondiente para generar luz colimada
- El producto final tiene un área emisora de 180x180 mm, una distancia focal efectiva de unos 55 mm, dos lentes de PMMA, LED LUXEON 2835 3V, PCB en KiCad, piezas de aluminio CNC y una capa de dispersión de Rayleigh hecha con película para inkjet
- Aunque logró la ilusión de una luz que parece venir desde lejos y un contraste fuerte entre luz y sombra, el brillo quedó por debajo del objetivo de 10,000 lux, con una estimación de 1,000 a 10,000 lux, y además se hacía visible el patrón de la rejilla de lentes
- El gasto total fue de unos 1,000 €, y el costo final estimado de componentes para una unidad fue de unos 300 € sin envío; una siguiente versión necesitaría más potencia, mayor superficie y un diseño óptico y mecánico más preciso
Objetivo y enfoque
- El proyecto parte del video de luz solar artificial de DIY Perks basado en un LED de 500W y un reflector parabólico de 1.2 m, con la meta de lograr una estructura más compacta
- En lugar de un reflector parabólico, se eligió una estructura con pequeñas lentes dispuestas en rejilla y un LED correspondiente para cada lente
- El grosor del dispositivo queda determinado por la distancia focal de cada lente, lo que permite reducir el volumen total
- Repartir la carga entre varios LED de baja potencia puede ser mejor para la gestión térmica que usar una sola fuente de alta potencia
- El creador también buscaba aprender sobre manufactura y diseño 3D, llevando el proyecto principalmente desde software
- Para el modelado CAD usó sobre todo build123d
- Para revisar el ensamblaje final y hacer algunos experimentos usó FreeCAD y OpticsWorkbench
- Para el diseño de PCB usó KiCad
- Para simulación y optimización óptica escribió código en Python, que después se convirtió en el proyecto open source torchlensmaker
- Para el ensamblaje de PCB y la fabricación de piezas CNC de aluminio y plástico usó JLCPCB y JLCCNC
Especificaciones del dispositivo final
- El dispositivo terminado es una estructura de matriz 6x6 de LED y lentes para usar sobre un escritorio
- Especificaciones mecánicas
- Lado de cada lente cuadrada: 30 mm
- Distancia focal efectiva: 55 mm
- Tamaño de la matriz: 6x6, total de 36 LEDs
- Área emisora total: 180x180 mm
- Componentes principales
- Lentes: un arreglo de lentes biconvexas de PMMA acrílico fabricadas por CNC y un arreglo de lentes plano-convexas
- Acabado posterior de las lentes: vapor polish finish
- LED: LUXEON 2835 3V, Ref 2835HE, CRI 95+, temperatura de color 4000K, 65mA
- PCB: diseño personalizado
- Piezas de montaje: componentes CNC de aluminio 60601 y piezas impresas en 3D con resina negra mate
- Capa de difusión de Rayleigh: película para impresión inkjet impermeable
Requisitos de diseño para la luz solar artificial
- Para crear luz solar artificial se necesitan cuatro elementos
- Luz colimada que imite una fuente lejana como el sol
- Alta calidad de color; aquí se tomó como referencia CRI 95+
- Dispersión de Rayleigh o una simulación de ella
- Potencia suficiente
- La luz solar ronda los 100,000 lux, pero el primer prototipo apuntó a 10,000 lux para reducir el consumo
- Como la percepción del brillo es logarítmica, se consideró que una intensidad de una décima parte podría sentirse casi igual
- El rendimiento real del diseño final se estimó entre 1,000 y 10,000 lux
- En un diseño basado en rejilla, las variables clave son el flujo luminoso de cada LED y el área de cada lente
- Se consideró un rango típico de 30 a 130 lumens para LED SMD de alto CRI
- Como hay absorción en las lentes y pérdidas en las paredes laterales, se asumió una eficiencia óptica total de 0.5
- Con esas condiciones se fijó el lado de cada lente en 30 mm
Diseño de lentes y óptica
- Con una fuente puntual ideal y una lente perfecta bastaría poner la fuente en la distancia focal para producir luz colimada, pero en la práctica los LED y las lentes son más complicados
- El LED no es una fuente puntual
- Las lentes tienen aberraciones
- La posición y orientación mecánicas no son perfectas
- El patrón de emisión del LED no es isotrópico, así que la intensidad es mayor hacia el centro de la lente
- Tras simulación óptica en Python y optimización numérica, se eligió una estructura de 2 lentes
- Lente 1: lente parabólica biconvexa
- Lente 2: lente parabólica plano-convexa
- La distancia focal efectiva del sistema de dos lentes es de unos 55 mm
- La distancia focal implica un gran compromiso entre manufactura, eficiencia y grosor
- Para reducir la curvatura de la superficie conviene aumentar la distancia focal
- Para captar más luz del patrón de emisión del LED conviene reducirla
- Para adelgazar el dispositivo también hace falta una distancia focal más corta
- El sistema de 2 lentes se eligió para reducir la curvatura superficial del arreglo y abaratar la fabricación CNC
- Las lentes en rejilla de alta curvatura crean valles entre lentes que dificultan el mecanizado CNC
- Con build123d se generó un modelo 3D apilando las lentes en forma de rejilla y agregando bordes de montaje
- Al cambiar solo variables de Python se podían ajustar parámetros como tamaño de matriz o espesor de lente, facilitando la exploración del diseño
- El costo de fabricar las lentes de PMMA acrílico fue de unos 55 €
LED y PCB
- Al principio se quiso usar el 3030 G04 de YUJILEDS, pero como se vendía en carretes de 5,000 unidades y cada carrete costaba 1,000 dólares, no se usó en esta primera versión
- Para la primera versión se eligió LUXEON 2835 3V
- Es unas 3 veces menos brillante que YUJILED
- Tiene buena reproducción de color y el encapsulado SMD deseado
- En JLC global sourcing la cantidad mínima de pedido era de 50 unidades
- Se diseñó un PCB personalizado con KiCad
- Cada PCB monta 6 LED
- El circuito tiene forma de 2 segmentos de tira LED de 12V conectados en paralelo
- Puede alimentarse con un adaptador de pared estándar de 12V
- El PCB no solo distribuye alimentación y regula corriente, también cumple una función mecánica al colocar con precisión los LED en la posición focal de las lentes
- El modelo 3D del PCB se llevó a FreeCAD para verificar la placa base de aluminio, el hood de luz y la ubicación de los orificios
- El código en Python exportó las coordenadas exactas de los LED, que luego se introdujeron en el editor de layout de KiCad
- La fabricación del PCB y el montaje de componentes se encargaron a JLCPCB, así que no hizo falta soldar a mano en esta etapa
Partes mecánicas y ensamblaje
- Para el ensamblaje se diseñaron tres piezas personalizadas
- Placa base: sostiene los PCB y las paredes laterales, e incluye orificios para el paso de la luz del LED y huecos parciales para el grosor de las resistencias SMD
- Paredes laterales: incluyen ranuras para insertar las lentes y ranuras de fijación a la placa base, además de orificios roscables para tornillos M2
- Hood de luz: pieza de resina negra que limita la luz de cada LED en forma de cono o pirámide cuadrada para que llegue solo a su lente correspondiente
- El hood se imprimió en 3D con resina negra y las paredes y placa base se mecanizaron en aluminio 60601 por CNC
- En el ensamblaje real no se usó el soporte verde que estaba previsto
- La estructura en forma de caja con solo las paredes y la placa base resultó suficientemente rígida
- Por eso quedaron orificios sin usar en las paredes laterales
- El mayor defecto de diseño fue que el ancho de la ranura de fijación de las lentes era insuficiente
- Se intentó encajar un borde de lente de 1.2 mm en una ranura de 1.22 mm, pero no funcionó por las tolerancias de fabricación y el grosor del anodizado negro mate
- Se ensancharon a mano 8 ranuras con una broca de metal de 1.5 mm, lo que tomó entre 2 y 3 horas en total
- El cableado de alimentación se soldó a los pines de energía del PCB y al conector de 12V
- El PCB y las piezas del hood comparten orificios de montaje, así que se usaron 2 tornillos por cada par PCB-hood
- La luz de LED visible al encenderlo sin lentes no es la luz útil prevista, sino bleed light
Simulación de la dispersión de Rayleigh
- El último elemento es simular Rayleigh scattering, el fenómeno físico que hace que el cielo se vea azul
- En el video de DIY Perks se usa una solución líquida casera con partículas del tamaño adecuado en suspensión, pero este enfoque se consideró poco práctico
- Se tomó como referencia un hallazgo del foro de DIY Perks, donde se menciona que una película para impresión inkjet produce un efecto parecido
- Se recortó y usó una película inkjet transparente conseguida en una tienda local de artículos de oficina
- Como esta etapa no se había incorporado al diseño inicial, se fijó con cinta aislante negra
- En la versión final se usaron 2 capas de película inkjet
Costos y resultados
- El gasto total fue de unos 1,000 €
- Incluye herramientas que faltaban, piezas de prototipos descartadas, LED y PCB sobrantes por cantidades mínimas de pedido, y consumibles como tornillos
- El costo real estimado de componentes para fabricar una unidad final es de unos 300 € sin incluir envío
- Las piezas más caras son las lentes de PMMA y las piezas CNC como la placa base y las paredes de aluminio
- Las piezas CNC representan alrededor de dos tercios del precio total
- El PCB, el servicio de ensamblaje, los LED y las piezas plásticas impresas en 3D fueron relativamente baratos
- Como luz solar artificial, el resultado fue un éxito parcial
- La ilusión de que la luz viene desde muy lejos detrás de los objetos al mover la cabeza de lado a lado sí funcionó
- Cuando los ojos entran en el haz, se siente un aumento repentino de intensidad, lo que sugiere una buena colimación
- Es difícil mirarla directamente sin lentes de sol, y el contraste entre la luz emitida y la periferia hace difícil también fotografiarla
- También hubo debilidades claras
- El brillo total es demasiado bajo
- El patrón de la rejilla de lentes se ve en la distribución de intensidad
- El patrón de rejilla no resulta muy molesto, pero sí deja margen de mejora
Qué cambiar en una siguiente versión
- Si hubiera una versión 2, lo primero sería aumentar la potencia
- Se estima que para acercarse a un efecto convincente la salida luminosa tendría que ser entre 3 y 5 veces mayor
- Incluso apuntar a una meta 10 veces más brillante que este prototipo no parece exagerado
- También hace falta mayor superficie
- El prototipo actual mide 18 cm x 18 cm, así que hay que sentarse dentro de un haz angosto y recto para notar el efecto
- Una versión futura tendría que ser entre 2 y 4 veces más amplia para acercarse a una ventana falsa creíble
- Hace falta un mejor diseño óptico
- Se cree que un diseño basado en refracción sí es viable, pero requiere un diseño óptico muy preciso y tolerancias mecánicas estrictas
- Un diseño refractivo en rejilla es muy sensible a la posición y orientación de las piezas
Ventajas del diseño refractivo en rejilla
- Tiene escalabilidad porque se pueden apilar varias unidades iguales para aumentar el área superficial
- Se estima que el bezel representa alrededor del 5% del área emisora total, y aún podría reducirse
- Como hay muchos elementos repetidos, incluso en fase de prototipo aparece algo de economía de escala
- El tamaño total es de 19 cm x 19 cm x 9 cm, pequeño en relación con la distancia focal de 5 cm y el área emisora de 18 cm x 18 cm
- Se considera que el método de DIY Perks o productos reflectivos como CoeLux no pueden lograr este form factor
- La gestión térmica también tiene ventajas estructurales
- El dispositivo actual funciona de forma estable con un adaptador de pared de 12V / 3A, así que su potencia es baja
- En lugar de enfriar una sola fuente de luz, distribuye muchos LED en proporción al área superficial, por lo que hay margen para escalar
- Al escalar, el principal problema térmico podría estar más en la refrigeración de la fuente de alimentación que en la lámpara misma
Forma de fabricación centrada en software
- El enfoque de diseño basado en código tuvo un papel importante en todo el proyecto
- Se llegó a la conclusión de que quería manejar con código todo: PCB, modelos 3D, ensamblaje y pruebas
- Fue muy potente poder cambiar un parámetro y actualizar todo el diseño mediante scripts
- El flujo ideal sería generar todos los datos de fabricación solo con ejecutar scripts
- GERBER
- BOM
- Modelos 3D
- Planos mecánicos
- Diagramas técnicos
- Verificación automática de tolerancias
- Verificación eléctrica
- También le parece interesante que estén surgiendo flujos de herramientas como CI/CD con KiCad y GitLab en el mundo de PCB y CAD
- No sabe si tendrá tiempo de hacer una versión 2, pero al final consiguió una lámpara única y además disfrutó mucho el proceso de construcción
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Muy genial. Soy el CEO de Innerscene (https://innerscene.com) y estamos creando claraboyas artificiales comerciales que usan un concepto similar.
De hecho, el modelo CoeLux HT25 es casi igual a lo que hicieron aquí, salvo que usa una lente más pequeña y más LED, pero el efecto todavía no es tan bueno. El sol se ve como una esfera enorme y, a unos pocos pies de distancia, se vuelve difícil reconocerlo. Nosotros dedicamos mucho tiempo a lograr una luz colimada perfecta, ocultar los bordes de la lente y crear una vista del cielo sin uniones ni imperfecciones, y diría que el último 10% de este problema representa el 90% del trabajo. Ya lo resolvimos en cierta medida, pero por ahora usa muchas piezas caras, así que estamos bajando costos. Si buscan las patentes de Innerscene, hay bastante información sobre el enfoque, y también invertimos mucho tiempo en simulaciones y software.
Cuando empiezas a medir LED comerciales con un espectrómetro, sus espectros reales varían bastante, incluso si son de alto CRI. Es peor todavía si quieres una temperatura de color que no sea 6500K. Cuando hice una lámpara nocturna para un escritorio con tinta electrónica, quería poder cambiar el espectro desde la luz natural del mediodía hasta la luz de vela nocturna, así que terminé usando un foco halógeno al que podía bajar el voltaje. Originalmente también pensé en una red neuronal que controlara varios LED para ajustarlos a una temperatura de color de referencia, pero construir y calibrar un espectrómetro y un jig como parte del algoritmo de backpropagation excedía mi interés, mientras que con el halógeno solo necesitaba una tabla de consulta temperatura-voltaje para focos del mismo lote.
En un lado de la casa tengo una claraboya real y me gustaría poner algo así en el lado opuesto, pero creo que se vería raro mezclar cielo despejado con cielo nublado.
El problema que veo en esta configuración es que, como la mayoría de las luces LED de alta eficiencia, le faltan longitudes de onda rojas.
La luz solar real tiene bastante energía incluso cerca de los 700 nm, en el extremo más rojo de la luz visible, y también bastante infrarrojo. Estas lámparas tienen dos picos espectrales: un pico azul estrecho alrededor de 450 nm y un pico verde amplio centrado en 580 nm; ese pico verde cae bruscamente, dejando casi nada de energía en el extremo rojo. Los conos del ojo tienen tres picos de sensibilidad —S azul, M verde y L amarillo—, y el cerebro ve el rojo con los conos L, pero los conos L son poco sensibles al rojo profundo como 700 nm. Por eso creemos que una lámpara LED produce rojo, pero en realidad no emite mucha energía roja: solo estimula los conos L. Nuestro cuerpo es sensible a la luz roja profunda, y los citocromos de las mitocondrias también responden a ella. Incluso hay experimentos en los que iluminar la piel con luz roja mejoró el metabolismo de la glucosa, lo cual tiene sentido si pensamos que somos simios desnudos evolucionados bajo una luz solar rica en rojo. Así que estas lámparas pueden parecer luz solar, pero les faltan algunas longitudes de onda importantes.
El segundo pico está cerca de 650 nm y, aunque cae bastante rápido, todavía tiene una cantidad apreciable de potencia a 700 nm. En resumen, es mucho mejor que el típico LED blanco pésimo que uno suele imaginar.
En comparación, el LED que eligió el autor original tiene un espectro de distribución de potencia bastante malo. La temperatura de color también es de 4000K, baja para imitar la luz diurna, que ronda los 5500K. Como elección artística está bien, pero parece difícil que ayude con el trastorno afectivo estacional.
Al ver “luz solar artificial”, esperaba poder ver el espectro espectral de esta solución de iluminación, pero me decepcionó que solo dijera “CRI 95+”.
https://www.youtube.com/watch?v=lH_owRxupC0
Este video cubre muy bien las limitaciones del CRI y explica en detalle CRI, CRI extendido, TLCI, TM-30 y SSI. El brillo y la temperatura de color son solo una pequeña parte de la iluminación, y ojalá más gente entendiera la utilidad de hacer sus propias mediciones espectrales para encontrar la luz que mejor le queda. Mis amigos tienen distribuciones espectrales que les gustan o les disgustan muy variadas, pero les falta el lenguaje y la experiencia para identificar o comunicar sus preferencias más allá de “me gusta/no me gusta esta bombilla”. Yo uso principalmente bombillas LED para reducir la generación de calor, porque en Houston pagas una vez al producir calor y otra vez al eliminarlo con el aire acondicionado. Aun así, para poder ver todos los colores del mundo, mezclo un poco de luz incandescente o halógena de 2400~3000K para complementar con radiación de cuerpo negro de espectro completo.
Realmente genial. Estoy fabricando una lámpara que da niveles de iluminación diurna en interiores. No tiene dispersión de Rayleigh ni luz colimada, pero, por el lado positivo, no son unos 4,500 lúmenes sino 50,000 lúmenes: https://getbrighter.com/
Está genial, pero la película de mejora de luminancia se puede conseguir muy barata en AliExpress: https://www.aliexpress.com/i/2255799825024246.html
La película de mejora de luminancia es una película óptica transparente con una estructura de tres capas. La superficie de entrada inferior debe aportar cierto grado de haze mediante un recubrimiento posterior; en medio hay una capa de sustrato PET transparente, y arriba una estructura de microprismas. La capa de microprismas controla la distribución de la intensidad luminosa mediante refracción, reflexión interna total y concentración de luz al pasar por las estructuras microprismáticas de la superficie; concentra hacia el frente la luz dispersada desde la fuente y también deja pasar la luz no utilizada fuera del ángulo de visión. Por eso es similar al diseño, aunque las ranuras son muy pequeñas.
DIY Perks también intentó crear luz solar artificial en casa y se enfocó en elementos como la dispersión de Rayleigh. Es un buen video:
https://www.youtube.com/watch?v=6bqBsHSwPgw
Al leer el artículo, vi que el original también menciona directamente a DIY Perks. El diseño del artículo original es mucho más pequeño. “El tamaño total es de 19 cm x 19 cm x 9 cm, lo cual es bastante compacto si se consideran una distancia focal de 5 cm y un área de iluminación efectiva de 18 cm x 18 cm. Los diseños reflectivos como el del video de DIYPerks o los productos comerciales como CoeLux no logran este factor de forma”.
Usa un bote de basura, una bombilla LED muy brillante y una lupa plástica para libros. El truco clave es que puedes conseguir una lente Fresnel plástica plana grande, del tamaño de una revista, por unos 10 dólares. La solución del artículo original sin duda es mejor, pero también es posible hacer una versión barata sin impresión 3D ni prácticamente ninguna habilidad técnica.
Al leer la parte que dice que “el principal problema térmico al escalar no será la lámpara, sino enfriar la fuente de alimentación”, si agrandara este dispositivo consideraría usar una fuente de alimentación ATX.
Son relativamente grandes, normalmente tienen refrigeración activa interna y pueden suministrar fácilmente cientos de watts a 12 V. Muchas también tienen un interruptor de encendido/apagado en la parte trasera, son relativamente baratas y se consiguen en todas partes, al menos si no pasas mucho de 500 W. Por lo general, basta con conectar el cable PS_ON a tierra para que se enciendan cuando reciben alimentación.
Ya existe una copia bastante decente de la luz solar: Philips CDM. La usé para cultivar cannabis y produjo los arbustos más frondosos que haya visto, y las flores fueron 10/10
Estuvo descontinuada por un tiempo, pero me alegra ver que parece que la están fabricando de nuevo
https://www.futuregarden.co.uk/philips-ceramic-discharge-met...
Si el consumo eléctrico no fuera un problema, siempre elegiría una lámpara CDM antes que cualquier alternativa, incluidos los LED. “Las lámparas Philips daylight CDM son lámparas de halogenuros metálicos cerámicos muy eficientes, con una salida espectral cercana a la luz solar natural. Como resultado, las plantas generan más ramas laterales, tienen entrenudos más cortos, más sitios de floración y un sistema radicular más grande, lo que se traduce en un crecimiento saludable y cosechas de alta calidad. Las lámparas Philips CDM mantienen una alta salida durante su vida útil promedio de 30.000 horas”
Me pregunto por qué usaron pistas de cableado en vez de una superficie amplia de cobre. Parece que hay 7 señales por placa y todas parecen pensadas para baja impedancia
También podrían haber dejado expuesto el cobre de la parte trasera de la placa y usarlo como disipador improvisado sin costo adicional. Probablemente no haga falta preocuparse por los efectos de los bucles del circuito, pero llama bastante la atención ese pequeño bucle triangular raro en la parte trasera
En realidad, por placa solo hay dos conexiones: VCC y GND. Al principio planeé usar pines header SMD, pero al final no los usé, y bastó con soldar cables a los pads expuestos. Había previsto 8 pads de conexión por PCB, pero en el ensamblaje final solo usé entre 2 y 4. Así que el diseño de la PCB realmente tiene mucho margen de mejora, y si quiero hacer una versión 2 de mayor potencia, creo que tendré que dedicarle más tiempo
Me gustaría ver el espectro óptico de los LED. Para imitar la luz solar se necesitan LED de espectro completo, como la serie Samsung LM301, popular en luces de cultivo
No todos los LED son iguales, e incluso los LED de muchas luces “de cultivo” solo muestran dos picos marcados en las longitudes de onda roja y azul. Los LED de espectro completo emiten colores a lo largo de todo el espectro visible. A simple vista no se puede saber, así que hay que comprar productos de un fabricante confiable o, como hice yo, armar un espectrómetro óptico barato con una Raspberry Pi con una cámara pequeña, una lente de espectrografía y código en Python. Si te interesa, probablemente puedas encontrar guías buscando en la web
Para reproducir con precisión el espectro solar, básicamente habría que imitar el espectro de radiación de cuerpo negro de una superficie a 5500 °C, menos las bandas de absorción del vapor de agua y los gases atmosféricos que están entre el Sol y nosotros. Además, el espectro solar continúa por arriba y por abajo de la luz visible: el infrarrojo se percibe como calor, y el ultravioleta produce bronceado y quemaduras. En la práctica, la mayoría de los LED comerciales tienen un espectro muy lleno de picos en comparación con la luz solar. Mezclar distintos tipos de LED y agregar filtros puede corregirlo hasta cierto punto, pero ese enfoque suele verse en luces de cine muy caras, como las Arri Skypanel