Versuch, zu Hause künstliches Sonnenlicht herzustellen

Projekt zum Bau von künstlichem Sonnenlicht

• Hintergrund des Projekts

  • Inspiriert durch ein Video von DIY Perks, in dem mit einer 500-W-LED und einem großen parabelförmigen Reflektor künstliches Sonnenlicht erzeugt wurde.
  • Auf der Suche nach einem platzsparenderen Design wurde ein neuer Ansatz mit mehreren LEDs und einer Linsenanordnung ausprobiert.

• Designidee

  • Die Linsen wurden in einem Raster angeordnet, wobei hinter jeder Linse eine LED platziert wurde, um Platz zu sparen und das Wärmemanagement zu erleichtern.
  • Dabei wurden verschiedene technische Fähigkeiten erlernt, darunter CAD-Modellierung, PCB-Design und das Schreiben von Python-Code zur Optimierung des optischen Systems.

• Technische Spezifikationen

  • Linsen: 30 mm quadratisch, Brennweite 55 mm, 6x6-Anordnung mit insgesamt 36 LEDs.
  • LEDs: LUXEON 2835 3V, CRI 95+, Farbtemperatur 4000K.
  • PCB: mit KiCad entworfen, bei JLCPCB gefertigt.
  • Optisches System: Verwendung eines Systems aus zwei Linsen, um die Parallelität des Lichts zu verbessern.

• Herstellungsprozess

  • Linsen und mechanische Teile wurden per CNC-Bearbeitung hergestellt.
  • Das PCB wurde bei JLCPCB bestückt.
  • Mithilfe optischer Simulationen wurde die optimale Linsenform ermittelt und das endgültige Design festgelegt.

• Ergebnis und Bewertung

  • Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen und der Effekt von künstlichem Sonnenlicht bis zu einem gewissen Grad umgesetzt.
  • Nachteile sind die etwas zu geringe Lichtintensität und das sichtbare Rastermuster der Linsenanordnung.
  • Für künftige Verbesserungen sind eine stärkere Lichtleistung, eine größere Oberfläche und ein präziseres optisches Design erforderlich.

• Fazit

  • Durch das Projekt wurde viel Wissen über PCB-Design, Elektronik, CNC-Fertigung und Optik erworben.
  • Zudem wurden die Vorteile eines codebasierten Ansatzes erlebt und die Effizienz im Herstellungsprozess erhöht.
  • Die Möglichkeit einer zukünftigen Version 2 bleibt offen, und mit dem aktuellen Ergebnis ist man zufrieden.

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Hacker-News-Kommentare

• Sehr cool. Ich bin der CEO von Innerscene, und wir bauen kommerzielle künstliche Himmelsbeleuchtung. Das Modell Coelux ht25 ist fast identisch mit dem, was wir gebaut haben, verwendet aber eine kleinere Linse und mehr LEDs. Der erzielte Effekt ist jedoch immer noch nicht besonders gut. Wir haben viel Zeit investiert, um perfektes paralleles Licht zu erzeugen, die Linsenränder zu verbergen und dafür zu sorgen, dass der Blick in den Himmel nahtlos und frei von Artefakten ist. Ich denke, die letzten 10 % des Problems machen 90 % der Arbeit aus. Wir haben das Problem erfolgreich gelöst, verwenden derzeit aber viele teure Komponenten und arbeiten daher daran, die Kosten zu senken. Wenn man nach Innerscene-Patenten sucht, wird unser Ansatz dort ausführlich beschrieben. Außerdem haben wir viel Zeit in Simulationen und Software investiert

• Das Problem bei diesem Aufbau – und bei den meisten hocheffizienten LED-Leuchten – ist der Mangel an roten Wellenlängen. Echtes Sonnenlicht enthält erhebliche Energiemengen am stark roten Ende des sichtbaren Spektrums (700 nm) sowie im Infrarotbereich. Diese Lampe hat zwei Spektralpeaks: einen schmalen Peak im blauen Bereich bei etwa 450 nm und einen breiteren Peak im grünen Bereich mit Zentrum bei 580 nm. Dieser grüne Peak fällt steil ab, und am roten Ende ist fast keine Energie vorhanden

• Die farbempfindlichen Zapfen in unseren Augen haben drei Empfindlichkeitsmaxima: S-Zapfen im blauen Bereich, M-Zapfen im grünen Bereich und L-Zapfen im gelben Bereich. Die L-Zapfen nutzt das Gehirn, um Rot wahrzunehmen, aber tatsächlich sind sie gegenüber tiefem Rot wie 700 nm nicht sehr empfindlich. Deshalb denkt man, dass LED-Lampen Rot erzeugen, obwohl sie in Wirklichkeit nicht viel rote Energie abstrahlen

• Unser Körper ist gegenüber tiefrotem Licht empfindlich. Cytochrome in den Mitochondrien reagieren darauf. Es gibt Experimente, in denen sich der Zuckerstoffwechsel verbessert, wenn man die Haut mit rotem Licht bestrahlt. Das ist nachvollziehbar, weil wir uns unter sonnenlichtreicher, rotlastiger Beleuchtung entwickelt haben

• Deshalb mag diese Lampe wie Sonnenlicht aussehen, aber es fehlen wichtige Wellenlängen

• Als ich „künstliches Sonnenlicht“ sah, dachte ich: „Ich will das Spektrum dieses gebauten Lichts sehen.“ Dann sah ich nur „CRI 95+“ und war enttäuscht. Es gibt ein hervorragendes Video, das die Schwächen von CRI erklärt. Helligkeit und Farbtemperatur sind nur ein kleiner Teil dessen, was Licht ausmacht. Mehr Menschen sollten anfangen, Spektren zu messen, um die Beleuchtung zu finden, die für sie am besten funktioniert. Meine Freunde haben sehr unterschiedliche Meinungen darüber, welche spektralen Verteilungen sie mögen oder nicht mögen, aber ihnen fehlen Sprache und Erfahrung, um diese Vorlieben zu identifizieren oder zu vermitteln

• Ich verwende hauptsächlich LED-Lampen, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Ich mische aber immer etwas Glüh-/Halogenlicht (2400–3000K) dazu, damit ich all die großartigen Farben der Welt sehen kann

• Wirklich cool. Ich arbeite an einer Lampe, die in Innenräumen tageslichtähnliche Helligkeit liefert. Auf der hellen Seite sind es 50.000 Lumen

• Das wichtigste thermische Problem beim Skalieren des Geräts ist nicht die Lampe, sondern die Kühlung des Netzteils. Beim Hochskalieren des Geräts würde ich ein ATX-Netzteil in Betracht ziehen. Es ist relativ groß, enthält normalerweise bereits eine aktive Kühlung und kann bei 12 V problemlos mehrere hundert Watt liefern. In der Regel muss man zum Einschalten nur die PS_ON-Leitung mit Masse verbinden

• DIY Perks hat ebenfalls versucht, zu Hause künstliches Sonnenlicht zu bauen, und sich auf Dinge wie Rayleigh-Streuung konzentriert. Dieses Video war großartig. OP hat DIY Perks ausdrücklich erwähnt, und das Design von OP ist deutlich kompakter. Die Gesamtgröße beträgt 19 cm x 19 cm x 9 cm, was für eine Brennweite von 5 cm und eine effektive beleuchtete Fläche von 18 cm x 18 cm ziemlich kompakt ist. Weder das DIYPerks-Video noch kommerzielle Produkte wie CoeLux erreichen diese Form

• Cool, aber man kann auf AliExpress sehr günstig Brightness-Enhancement-Film bekommen. Brightness-Enhancement-Film ist eine transparente optische Folie. Die Unterschicht sollte mit einer Rückseitenbeschichtung etwas Streuung liefern, die mittlere Schicht ist eine transparente PET-Substratschicht, und die obere Schicht ist eine Mikroprismenstruktur. Wenn Licht durch die Mikroprismenstruktur der Oberflächenschicht läuft, wird die Intensitätsverteilung des Lichts durch Brechung, Totalreflexion, Lichtsammlung usw. gesteuert

• Ich frage mich, warum Traces gewählt wurden. Es gibt 7 Signale pro Board, und alle zielen auf niedrige Impedanz ab. Man könnte auf der Rückseite des Boards Kupfer freilegen und es als provisorischen Kühlkörper verwenden. Über den Einfluss von Schleifen im Schaltkreis muss man sich zwar keine Sorgen machen, aber diese seltsamen kleinen dreieckigen Schleifen auf der Rückseite fallen auf

• Ich habe letztes Jahr etwas Ähnliches gemacht, mich aber stärker auf das Spektrum konzentriert und eine leistungsstarke Filmleuchte verwendet, deren Spektralausgabe deutlich besser war. Mit dem Hyperreflektor, der bei den meisten Leuchten mitgeliefert wird, kann man den größten Teil des Parallellichteffekts erzielen. Dann habe ich eine Glüh-Wärmelampe hinzugefügt, um den IR-Anteil des Spektrums aufzufüllen, und ein spezielles UV-LED-Licht für den UVA-Bereich. Für eine reine UVB-Lampe hatte ich kein Gehäuse

• Ich habe mich ebenfalls darin vertieft, zu Hause künstliches Sonnenlicht zu bauen. Am Ende habe ich mich für eine Lösung mit einer günstigen LED-Maiskolbenlampe, die 300 W entspricht (4000 lm), und einer 250-W-Glüh-Wärmelampe entschieden. Ich habe beschlossen, mich eher auf Wärme als auf paralleles Licht zu konzentrieren. Die Gesamtkosten lagen bei etwa 75 $