Experimento para criar luz solar artificial em casa
(victorpoughon.fr)- Um criador com background em software fez uma primeira versão de um dispositivo de luz solar artificial mais fino usando uma matriz de lentes e uma matriz de LEDs, em vez do LED de 500W e do refletor parabólico de 1,2 m no estilo DIY Perks
- O núcleo do projeto é alinhar 36 lentes quadradas de 30 mm e 36 LEDs em uma grade 6x6, colocando cada LED no foco da lente correspondente para gerar luz colimada
- O produto final tem uma área emissora de 180x180 mm, distância focal efetiva de cerca de 55 mm, duas lentes de PMMA, LEDs LUXEON 2835 3V, PCB em KiCad, peças de alumínio usinadas em CNC e uma camada de espalhamento Rayleigh com filme para inkjet
- O efeito de fazer a luz parecer vir de longe e o forte contraste entre luz e sombra foram alcançados, mas o brilho ficou abaixo da meta de 10.000 lux, estimado na faixa de 1.000 a 10.000 lux, e o padrão da grade de lentes também ficou visível
- O gasto total foi de cerca de 1.000€, e o custo final estimado dos componentes para uma unidade, sem frete, ficou em torno de 300€; uma próxima versão precisaria de mais potência, área maior e um projeto óptico e mecânico mais preciso
Objetivo e abordagem
- Partindo do vídeo de luz solar artificial do DIY Perks, baseado em um LED de 500W e um refletor parabólico de 1,2 m, o objetivo foi criar uma estrutura mais compacta
- Em vez de um refletor parabólico, foi escolhida uma estrutura com pequenas lentes organizadas em grade, com um LED correspondente para cada lente
- A espessura do dispositivo é determinada pela distância focal de cada lente, o que pode reduzir o volume total
- Distribuir vários LEDs de baixa potência, em vez de usar uma única fonte de alta potência, pode ser melhor para gerenciamento térmico
- O autor também tinha como objetivo aprender fabricação e design 3D, conduzindo o projeto a partir de uma base principalmente de software
- Para modelagem CAD, usou principalmente build123d
- Para revisão da montagem final e alguns experimentos, usou FreeCAD e OpticsWorkbench
- Para o projeto da PCB, usou KiCad
- Para simulação óptica e otimização, escreveu código em Python, que depois virou o projeto open source torchlensmaker
- Para montagem da PCB e fabricação das peças de alumínio e plástico em CNC, usou JLCPCB e JLCCNC
Especificações do dispositivo final
- O dispositivo concluído é uma estrutura de matriz 6x6 de LEDs e lentes que funciona sobre uma mesa
- Especificações mecânicas
- Lado de cada lente quadrada: 30 mm
- Distância focal efetiva: 55 mm
- Tamanho da matriz: 6x6, total de 36 LEDs
- Área emissora total: 180x180 mm
- Principais componentes
- Lentes: uma matriz de lentes biconvexas e uma matriz de lentes plano-convexas, ambas em acrílico PMMA e fabricadas em CNC
- Acabamento das lentes: vapor polish finish
- LED: LUXEON 2835 3V, Ref 2835HE, CRI 95+, temperatura de cor de 4000K, 65mA
- PCB: projeto personalizado
- Peças de montagem: componentes de alumínio 60601 usinados em CNC e peças impressas em 3D com resina preta fosca
- Camada de difusão Rayleigh: filme impresso para inkjet à prova d’água
Requisitos de projeto para luz solar artificial
- Para criar luz solar artificial, eram necessários quatro elementos
- Luz colimada para imitar a luz que chega de muito longe, como a do Sol
- Alta qualidade de cor, adotando aqui CRI 95+
- Espalhamento Rayleigh ou uma simulação dele
- Potência suficiente
- A luz solar é extremamente intensa, em torno de 100.000 lux, mas o primeiro protótipo teve como meta 10.000 lux para reduzir o consumo de energia
- Como a percepção de brilho é logarítmica, concluiu-se que até 1/10 dessa intensidade poderia parecer quase igual na prática
- O efeito real do projeto final foi estimado entre 1.000 e 10.000 lux
- Em um projeto baseado em grade, as variáveis importantes são o fluxo luminoso de cada LED e a área de cada lente
- Foi considerado que LEDs SMD de alto CRI normalmente ficam na faixa de 30 a 130 lúmens
- Como há absorção nas lentes e perdas nas paredes laterais, a eficiência óptica total não poderia ser perfeita, então foi assumido um valor de 0,5
- Nessas condições, o lado de cada lente foi definido em 30 mm
Lentes e projeto óptico
- Com uma fonte pontual ideal e uma lente perfeita, bastaria colocar a fonte na distância focal para gerar luz colimada, mas LEDs e lentes reais são mais complicados
- O LED não é uma fonte pontual
- As lentes têm aberrações
- A posição e a orientação mecânicas não são perfeitas
- O padrão de emissão do LED não é isotrópico, então a intensidade é maior perto do centro da lente
- Após simulação óptica em Python e otimização numérica, foi escolhida uma estrutura de duas lentes
- Lente 1: lente parabólica biconvexa
- Lente 2: lente parabólica plano-convexa
- A distância focal efetiva do sistema de duas lentes é de cerca de 55 mm
- A distância focal envolve um grande trade-off entre fabricação, eficiência e espessura
- Para reduzir a curvatura das superfícies, é vantajoso aumentar a distância focal
- Para captar mais luz do padrão de emissão do LED, foi considerado melhor reduzir a distância focal
- Para diminuir a espessura do dispositivo, a distância focal também precisa ser menor
- O sistema de duas lentes foi escolhido para reduzir a curvatura superficial da matriz de lentes e, assim, baixar o custo de fabricação em CNC
- Uma lente em grade com curvatura alta cria vales entre as lentes, o que reduz a viabilidade da usinagem CNC
- Com build123d, foi gerado um modelo 3D empilhando as lentes em forma de grade e adicionando bordas de fixação
- Como bastava alterar variáveis em Python, foi fácil explorar parâmetros de projeto como tamanho da matriz e espessura das lentes
- O custo de fabricação das lentes de acrílico PMMA foi de cerca de 55€
LED e PCB
- No início, a intenção era usar o 3030 G04 da YUJILEDS, mas ele era vendido em rolos de 5.000 unidades e cada rolo custava 1.000 dólares, então não foi usado na primeira versão
- Na primeira versão, foi escolhido o LUXEON 2835 3V
- Cerca de 3 vezes menos brilhante que o YUJILED
- Boa reprodução de cor e no encapsulamento SMD desejado
- Quantidade mínima de pedido de 50 unidades no JLC global sourcing
- Foi projetada uma PCB personalizada no KiCad
- Cada PCB comporta 6 LEDs
- O circuito tem a forma de 2 segmentos de uma fita de LED 12V conectados em paralelo
- Isso permite usar uma fonte padrão de parede de 12V
- A PCB não serve apenas para distribuição de energia e controle de corrente, mas também tem função mecânica ao posicionar com precisão os LEDs no ponto focal das lentes
- O modelo 3D da PCB foi importado para o FreeCAD para verificar a base de alumínio, o hood de luz e a posição dos furos
- O código em Python exportava as coordenadas exatas dos LEDs, que depois eram inseridas no editor de layout do KiCad
- A fabricação da PCB e a montagem dos componentes ficaram por conta da JLCPCB, então não foi necessário soldar manualmente nesta etapa
Peças mecânicas e montagem
- Três peças personalizadas foram projetadas para a montagem
- Baseplate: sustenta as PCBs e as paredes laterais, incluindo furos para a passagem da luz dos LEDs e rebaixos para a espessura dos resistores SMD
- Paredes laterais: incluem canais para encaixar as lentes e canais de fixação na baseplate, com furos roscáveis para parafusos M2
- Light hood: peça preta de resina que limita a luz de cada LED em forma de cone ou pirâmide quadrada para que ela vá apenas à lente correspondente
- O hood foi impresso em 3D com resina preta, e as paredes e a baseplate foram cortadas em CNC em alumínio 60601
- Na montagem real, o suporte verde planejado não foi usado
- Porque a estrutura em caixa formada apenas pelas paredes e pela baseplate já era rígida o suficiente
- Por isso, ficaram furos sem uso nas paredes laterais
- O maior defeito de projeto foi a largura insuficiente do canal de fixação das lentes
- A ideia era encaixar uma borda de lente com 1,2 mm de espessura em um canal de 1,22 mm, mas isso não funcionou por causa das tolerâncias de fabricação e da espessura da anodização preta fosca
- O autor alargou manualmente 8 canais com uma broca metálica de 1,5 mm, o que levou de 2 a 3 horas no total
- A fiação de alimentação foi soldada aos pinos de energia da PCB e ao conector de alimentação de 12V
- A PCB e as peças do hood compartilham os mesmos furos de montagem, então foram usados 2 parafusos por conjunto PCB-hood
- A luz dos LEDs visível quando o sistema é ligado sem as lentes não é a luz útil pretendida, mas bleed light
Simulação de espalhamento Rayleigh
- O último elemento era simular o Rayleigh scattering, o fenômeno físico que faz o céu parecer azul
- O vídeo do DIY Perks usava uma solução líquida artesanal com partículas do tamanho adequado em suspensão, mas isso foi considerado pouco prático
- Foi usada como referência uma descoberta no fórum do diyperks de que filme impresso para inkjet produz um efeito semelhante
- Foi cortado e usado um filme transparente para inkjet comprado em uma papelaria local
- Como essa etapa não tinha sido considerada no projeto inicial, o filme foi fixado com fita isolante preta
- Na montagem final, foram usadas 2 camadas do filme para inkjet
Custo e resultados
- O gasto total foi de cerca de 1.000€
- Incluindo ferramentas não contabilizadas, peças de protótipo descartadas, LEDs e PCBs que sobraram por causa de quantidades mínimas de pedido, além de consumíveis como parafusos
- O custo real estimado dos componentes para fabricar uma unidade final, sem frete, foi de cerca de 300€
- Os componentes mais caros foram as lentes de PMMA e as peças CNC, como a baseplate e as paredes de alumínio
- As peças CNC representam cerca de dois terços do preço total
- PCB, serviço de montagem, LEDs e peças plásticas impressas em 3D foram relativamente baratos
- Como luz solar artificial, o resultado ficou mais próximo de um sucesso parcial
- A ilusão de que a luz vinha de um ponto distante atrás dos objetos funcionou quando a cabeça se movia para os lados
- Quando os olhos entravam no feixe de luz, havia uma sensação de aumento súbito de intensidade, sugerindo boa colimação
- É difícil olhar diretamente sem óculos escuros, e o contraste entre a luz emitida e as áreas ao redor é tão grande que também dificulta fotografar
- As limitações também ficaram claras
- O brilho total é fraco demais
- O formato da grade de lentes aparece no padrão de intensidade
- O padrão de grade não é extremamente incômodo, mas ainda há espaço para melhorar
O que mudar em uma próxima versão
- Se fosse fazer uma versão 2, a primeira necessidade seria aumentar a potência
- Foi estimado que a saída luminosa precisaria ser de 3 a 5 vezes maior para chegar mais perto de um efeito realmente convincente
- Até uma meta 10 vezes mais brilhante que este protótipo não parece irrealista
- A área de superfície também precisaria aumentar
- O protótipo atual mede 18 cm x 18 cm, então é preciso sentar dentro de um feixe estreito e reto para sentir o efeito
- Uma próxima versão provavelmente precisaria ser de 2 a 4 vezes maior para se aproximar mais de uma janela falsa
- Também seria necessário um projeto óptico melhor
- O autor considera o design refrativo viável, mas ele exige projeto óptico muito preciso e tolerâncias mecânicas apertadas
- Um design refrativo em grade é muito sensível à posição e à orientação dos componentes
Vantagens do design refrativo em grade
- É escalável, porque várias unidades iguais podem ser empilhadas para aumentar a área de superfície
- A moldura representa cerca de 5% da área emissora total e pode ser reduzida ainda mais
- Como há muitos elementos repetidos, existe algum ganho de escala mesmo na fase de prototipagem
- O tamanho total é de 19 cm x 19 cm x 9 cm, pequeno em relação à distância focal de 5 cm e à área emissora de 18 cm x 18 cm
- O autor considera que a abordagem do DIY Perks ou produtos reflexivos como CoeLux não conseguem atingir esse form factor
- O gerenciamento térmico também é estruturalmente vantajoso
- O dispositivo atual opera de forma estável com um adaptador de parede de 12V / 3A, por ser de baixa potência
- Em vez de resfriar uma única fonte de luz, o projeto distribui vários LEDs proporcionalmente à área de superfície, o que oferece margem para expansão
- Em uma expansão, o principal problema térmico pode estar mais no resfriamento da fonte de alimentação do que na lâmpada em si
Método de fabricação centrado em software
- A abordagem de projeto baseada em código teve papel importante em todo o projeto
- O autor concluiu que queria tratar PCB, modelo 3D, montagem e testes todos por código
- Foi muito poderoso poder mudar um parâmetro e atualizar todo o projeto por script
- O fluxo ideal seria gerar todos os dados de fabricação apenas executando um script
- GERBER
- BOM
- Modelo 3D
- Desenhos mecânicos
- Diagramas técnicos
- Verificação automática de tolerâncias
- Verificação elétrica
- O surgimento de fluxos de ferramentas como CI/CD com KiCad e GitLab também parece interessante na área de PCB e CAD
- O autor não sabe se terá tempo para fazer uma versão 2, mas no fim acabou com uma luminária única e considerou o processo de criação divertido
1 comentários
Comentários do Hacker News
Muito legal. Sou CEO da Innerscene (https://innerscene.com) e estamos criando uma claraboia artificial comercial que usa um conceito parecido.
Na verdade, o modelo CoeLux HT25 é quase igual ao que foi feito aqui, exceto por usar uma lente menor e mais LEDs, mas o efeito ainda não é tão bom. O sol parece uma esfera enorme, e a poucos pés de distância já fica difícil reconhecê-lo como sol. Passamos muito tempo trabalhando em luz colimada perfeita, em esconder as bordas da lente e em criar uma visão do céu sem emendas nem imperfeições, e considero que os últimos 10% desse problema representam 90% do trabalho. Já resolvemos isso em certa medida, mas atualmente usamos muitas peças caras, então estamos reduzindo custos. Se você procurar as patentes da Innerscene, muita coisa da abordagem está pública, e também investimos bastante tempo em simulações e software.
Quando você começa a medir LEDs comerciais com um espectrômetro, os espectros reais variam bastante, mesmo quando são de alta reprodução de cor. Isso é ainda pior se você quiser uma temperatura de cor que não seja 6500K. Quando fiz uma luminária noturna para desktop com e-ink, eu queria variar o espectro do meio-dia em luz natural até a luz de vela à noite, então acabei usando uma lâmpada halógena que podia operar com tensão reduzida. Originalmente, eu também pensei em uma rede neural controlando vários LEDs para corresponder a temperaturas de cor de referência, mas construir e calibrar um espectrômetro e um gabarito como parte do algoritmo de retropropagação passou do meu limite de interesse; com halógenas, bastava uma tabela de consulta de temperatura-tensão para lâmpadas do mesmo lote.
De um lado da minha casa há uma claraboia real, então eu gostaria de instalar algo assim do outro lado, mas acho que ficaria estranho misturar céu limpo com céu nublado.
O problema que vejo nessa configuração é que, como a maioria das luzes LED de alta eficiência, falta comprimento de onda vermelho.
A luz solar real tem bastante energia também perto de 700 nm, na extremidade bem vermelha da luz visível, e também bastante infravermelho. Essas lâmpadas têm dois picos espectrais: um pico azul estreito perto de 450 nm e um pico verde largo centrado em 580 nm; esse pico verde cai rapidamente e quase não há energia na extremidade vermelha. Os cones dos olhos têm três picos de sensibilidade — S azul, M verde e L amarelo —, e o cérebro percebe vermelho por meio dos cones L, mas os cones L são pouco sensíveis a vermelhos profundos como 700 nm. Por isso, achamos que lâmpadas LED produzem vermelho, mas elas não emitem muita energia vermelha de fato; apenas estimulam os cones L. Nosso corpo é sensível à luz vermelha profunda, e o citocromo nas mitocôndrias também responde a ela. Há até experimentos em que iluminar a pele com luz vermelha melhorou o metabolismo da glicose, o que faz sentido se pensarmos que somos primatas nus que evoluíram sob luz solar rica em vermelho. Portanto, essas lâmpadas podem parecer luz solar, mas faltam nelas alguns comprimentos de onda importantes.
O segundo pico fica perto de 650 nm e, embora caia bem rápido, ainda há uma quantidade razoável de potência em 700 nm. Em resumo, é muito melhor do que os LEDs brancos ruins que normalmente vêm à mente.
Em comparação, o LED escolhido no post original tem um espectro de distribuição de potência bastante ruim. A temperatura de cor também é 4000K, baixa para imitar a luz diurna, que fica em torno de 5500K. Como escolha artística, tudo bem, mas parece difícil que ajude no transtorno afetivo sazonal.
Ao ver “luz solar artificial”, eu esperava ver o espectro espectral dessa solução de iluminação, mas fiquei decepcionado por só haver “CRI 95+”
https://www.youtube.com/watch?v=lH_owRxupC0
Esse vídeo trata bem das limitações do CRI e explica em detalhes CRI, CRI estendido, TLCI, TM-30 e SSI. Brilho e temperatura de cor são apenas uma pequena parte da iluminação, e eu gostaria que mais pessoas percebessem a utilidade de fazer suas próprias medições espectrais para encontrar uma iluminação adequada para si. Meus amigos têm distribuições espectrais de que gostam ou não gostam muito variadas, mas, além de dizer “gosto/não gosto dessa lâmpada”, falta a eles vocabulário e experiência para identificar ou comunicar preferências. Eu uso principalmente lâmpadas LED para reduzir a geração de calor, porque em Houston se paga uma vez para criar calor e outra para removê-lo com ar-condicionado. Ainda assim, misturo um pouco de incandescentes ou halógenas de 2400~3000 K para complementar com radiação de corpo negro de espectro completo e ver todas as cores do mundo
Muito legal. Estou fazendo uma lâmpada que dá, em ambiente interno, iluminância em nível de luz diurna. Não tem espalhamento de Rayleigh nem luz colimada, mas, no lado positivo, não são cerca de 4.500 lúmens, e sim 50.000 lúmens https://getbrighter.com/
É legal, mas filme de aumento de brilho pode ser encontrado muito barato no AliExpress https://www.aliexpress.com/i/2255799825024246.html
O filme de aumento de brilho é um filme óptico transparente com estrutura de 3 camadas. A face inferior de entrada deve fornecer algum grau de haze por meio de um revestimento traseiro, o meio é uma camada de substrato PET transparente, e a parte superior é uma estrutura de microprismas. A camada de microprismas controla a distribuição da intensidade luminosa por refração, reflexão interna total e concentração de luz ao passar pela estrutura de microprismas na superfície; reúne para a direção frontal a luz espalhada pela fonte luminosa e também deixa passar a luz não utilizada fora do ângulo de visão. Portanto, é parecido com o projeto, mas com ranhuras muito pequenas
O DIY Perks também tentou criar luz solar artificial em casa e se concentrou em elementos como o espalhamento de Rayleigh. É um vídeo bom
https://www.youtube.com/watch?v=6bqBsHSwPgw
Lendo o texto, vi que o artigo original também mencionava diretamente o DIY Perks. O projeto do artigo original é muito menor. “O tamanho total é 19 cm x 19 cm x 9 cm, o que é bem compacto considerando a distância focal de 5 cm e a área efetiva de iluminação de 18 cm x 18 cm. Projetos refletivos como o do vídeo do DIYPerks ou produtos comerciais como CoeLux não conseguem atingir esse formato”
Ela usa uma lixeira, uma lâmpada LED muito brilhante e uma lupa plástica de leitura. O truque principal é que dá para conseguir por cerca de 10 dólares uma grande lente de Fresnel plana de plástico, do tamanho de uma revista. A solução do artigo original é certamente melhor, mas também é possível fazer algo barato sem impressão 3D nem praticamente nenhuma habilidade técnica
Pelo trecho “o principal problema térmico ao escalar provavelmente não será a lâmpada, mas o resfriamento da fonte de alimentação”, se eu fosse aumentar esse dispositivo, acho que consideraria uma fonte ATX
Ela é relativamente grande, normalmente tem refrigeração ativa interna e consegue fornecer facilmente centenas de watts em 12 V. Muitas também têm chave liga/desliga na traseira, são relativamente baratas e, desde que você não passe muito de 500 W, são encontradas em qualquer lugar. Em geral, basta conectar o fio PS_ON ao terra para que ela ligue quando receber energia
Já existe uma cópia bem decente da luz do sol. É a Philips CDM. Usei para cultivar maconha e produziu o arbusto mais viçoso que já vi; as flores também foram 10/10
Ficou fora de linha por um tempo, mas fico feliz que aparentemente voltou a ser produzida
https://www.futuregarden.co.uk/philips-ceramic-discharge-met...
Se consumo de energia não for problema, eu escolheria uma lâmpada CDM em vez de alternativas, incluindo LED, em qualquer situação. “As lâmpadas Philips daylight CDM são lâmpadas de haleto metálico cerâmico muito eficientes, com uma saída espectral próxima à da luz solar natural. Como resultado, as plantas desenvolvem mais ramos laterais, internódios mais curtos, mais pontos de floração e um sistema radicular maior, levando a crescimento saudável e colheitas de alta qualidade. As lâmpadas Philips CDM mantêm alta saída ao longo de uma vida útil média de 30.000 horas”
Fico curioso por que usaram trilhas de fiação em vez de grandes planos de cobre. Parece haver 7 sinais por placa, e todos parecem ter sido pensados para baixa impedância
Também teria sido possível expor o cobre no verso da placa e usá-lo como um dissipador improvisado sem custo extra. Provavelmente nem seria preciso se preocupar com o efeito de loop do circuito, mas aquele pequeno loop triangular estranho no verso chama bastante atenção
A fiação real por placa é só VCC e GND. No começo eu planejava usar pinos de header SMD, mas acabei não usando, e soldar os fios nos pads expostos foi suficiente. Planejei 8 pads de conexão por PCB, mas na montagem final usei só 2 a 4. Então há realmente bastante margem para melhorar o design da PCB, e acho que vou precisar investir tempo nisso se fizer uma versão 2 de maior potência
Gostaria de ver o espectro óptico dos LEDs. Para simular luz solar, é preciso usar LEDs de espectro completo, como a linha Samsung LM301, popular em luminárias de cultivo
Nem todos os LEDs são iguais, e até LEDs usados em muitas luzes de “cultivo” mostram apenas dois picos agudos nos comprimentos de onda vermelho e azul. LEDs de espectro completo emitem cores por toda a faixa de luz visível. Não dá para saber a olho nu, então você precisa comprar um produto de um fabricante em quem confie ou, como eu fiz, montar um espectrômetro óptico barato com um Raspberry Pi, uma câmera pequena, uma lente de difração e código Python. Se tiver interesse, deve conseguir encontrar guias pesquisando na web
Para reproduzir com precisão o espectro solar, basicamente seria preciso simular o espectro de radiação de corpo negro de uma superfície a 5500 °C, subtraindo as faixas de absorção do vapor d’água e dos gases atmosféricos entre o Sol e nós. Além disso, o espectro solar continua acima e abaixo da luz visível: o infravermelho dá a sensação de calor, e o ultravioleta causa bronzeamento e queimaduras. Na prática, o espectro da maioria dos LEDs comerciais é muito cheio de picos em comparação com a luz solar. Misturar diferentes tipos de LED e adicionar filtros pode corrigir isso até certo ponto, mas esse método é usado em luzes de cinema muito caras, como a Arri Skypanel