Thử chế tạo Artificial Sunlight tại nhà

 (victorpoughon.fr)
2 điểm bởi GN⁺ 2025-03-28 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp

Dự án tạo ánh sáng mặt trời nhân tạo

  • Bối cảnh dự án

    • Lấy cảm hứng sau khi xem video của DIY Perks về việc tạo ánh sáng mặt trời nhân tạo bằng LED 500W và gương phản xạ parabol cỡ lớn.
    • Trong khi suy nghĩ về một thiết kế chiếm ít không gian hơn, tác giả đã thử một thiết kế mới sử dụng nhiều LED và một mảng thấu kính.

  • Ý tưởng thiết kế

    • Bố trí mảng thấu kính theo dạng lưới, đặt một LED cho mỗi thấu kính để tiết kiệm không gian và giúp quản lý nhiệt dễ hơn.
    • Học nhiều kỹ năng khác nhau như dựng mô hình CAD, thiết kế PCB và viết mã Python để tối ưu hệ thống quang học.

  • Thông số kỹ thuật

    • Thấu kính: vuông 30mm, tiêu cự 55mm, mảng 6x6 dùng tổng cộng 36 LED.
    • LED: LUXEON 2835 3V, CRI 95+, nhiệt độ màu 4000K.
    • PCB: thiết kế bằng KiCad, sản xuất tại JLCPCB.
    • Hệ quang học: sử dụng hệ hai thấu kính để tăng độ song song của ánh sáng.

  • Quá trình chế tạo

    • Thấu kính và các bộ phận cơ khí được gia công bằng CNC.
    • PCB được lắp ráp tại JLCPCB.
    • Tìm ra hình dạng thấu kính tối ưu thông qua mô phỏng quang học và quyết định thiết kế cuối cùng.

  • Kết quả và đánh giá

    • Dự án đã được hoàn thành thành công và tái hiện được hiệu ứng ánh sáng mặt trời nhân tạo ở một mức độ nhất định.
    • Nhược điểm là cường độ sáng hơi thiếu và hoa văn dạng lưới của mảng thấu kính khá dễ nhận ra.
    • Các hướng cải tiến trong tương lai gồm đầu ra ánh sáng mạnh hơn, diện tích bề mặt lớn hơn và thiết kế quang học chính xác hơn.

  • Kết luận

    • Thông qua dự án, tác giả tích lũy được nhiều kiến thức về thiết kế PCB, điện tử, gia công CNC và quang học.
    • Đồng thời trải nghiệm được lợi ích của cách tiếp cận dựa trên mã, qua đó nâng cao hiệu quả trong quá trình chế tạo.
    • Tác giả để ngỏ khả năng phát triển phiên bản 2 trong tương lai và hài lòng với kết quả hiện tại.

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2025-03-28
Ý kiến Hacker News

  • Rất tuyệt. Tôi là CEO của Innerscene, và chúng tôi làm đèn bầu trời nhân tạo cho mục đích thương mại. Mẫu Coelux ht25 gần như giống hệt thứ chúng tôi tạo ra, nhưng dùng thấu kính nhỏ hơn và nhiều LED hơn. Tuy nhiên, hiệu ứng họ đạt được vẫn chưa thực sự ấn tượng. Chúng tôi đã dành rất nhiều thời gian để tạo ra ánh sáng song song hoàn hảo, che giấu mép thấu kính, và bảo đảm tầm nhìn lên “bầu trời” liền mạch, không có hiện tượng giả. Tôi nghĩ 10% cuối của vấn đề chiếm tới 90% công việc. Chúng tôi đã giải quyết thành công bài toán này, nhưng hiện vẫn đang dùng nhiều linh kiện đắt tiền nên đang tiếp tục giảm chi phí. Nếu tìm các bằng sáng chế của Innerscene, bạn sẽ thấy cách tiếp cận của chúng tôi được mô tả khá nhiều. Chúng tôi cũng đã đầu tư rất nhiều thời gian vào mô phỏng và phần mềm

  • Vấn đề của thiết lập này (và của hầu hết đèn LED hiệu suất cao) là thiếu bước sóng đỏ. Ánh nắng thật có một lượng năng lượng đáng kể ở đầu đỏ sâu của phổ nhìn thấy được (700 nm) và trong vùng hồng ngoại. Chiếc đèn này có hai đỉnh phổ: một đỉnh hẹp trong vùng xanh lam khoảng 450 nm, và một đỉnh rộng hơn từ xanh lục, tâm ở 580 nm. Đỉnh xanh lục đó giảm rất nhanh, và gần như không có năng lượng ở đầu đỏ

  • Các tế bào nón nhạy màu trong mắt chúng ta có ba đỉnh độ nhạy. Nón S ở vùng xanh lam, nón M ở vùng xanh lục, và nón L ở vùng vàng. Não dùng nón L để nhìn màu đỏ, nhưng thực ra chúng không quá nhạy với màu đỏ sâu như 700 nm. Vì vậy ta nghĩ đèn LED đang tạo ra màu đỏ, nhưng trên thực tế nó không phát ra nhiều năng lượng đỏ đến thế

  • Cơ thể chúng ta nhạy với ánh sáng đỏ sâu. Cytochrome trong ty thể phản ứng với nó. Có các thí nghiệm cho thấy chiếu ánh sáng đỏ lên da sẽ cải thiện chuyển hóa đường. Điều này cũng hợp lý vì chúng ta đã tiến hóa dưới ánh nắng giàu màu đỏ

  • Vì vậy chiếc đèn này có thể trông giống ánh nắng, nhưng lại thiếu những bước sóng quan trọng

  • Khi thấy cụm từ “ánh nắng nhân tạo”, tôi nghĩ ngay “muốn xem phổ của hệ đèn mà người này làm ra”. Rồi chỉ thấy “CRI 95+” nên hơi thất vọng. Có một video rất hay giải thích các nhược điểm của CRI. Độ sáng và nhiệt độ màu chỉ là một phần rất nhỏ của ánh sáng. Nhiều người hơn nữa nên bắt đầu đo phổ để tìm ra loại ánh sáng phù hợp nhất với mình. Bạn bè tôi có ý kiến rất khác nhau về các phân bố phổ họ thích hoặc không thích, nhưng họ thiếu ngôn ngữ và trải nghiệm để xác định hay diễn đạt sở thích đó

  • Tôi chủ yếu dùng bóng LED để giảm sinh nhiệt. Nhưng tôi luôn trộn thêm một chút đèn sợi đốt/halogen (2400-3000K) để có thể nhìn thấy mọi màu sắc tuyệt vời của thế giới

  • Thật sự rất hay. Tôi đang làm một chiếc đèn cung cấp mức ánh sáng ban ngày trong nhà. Ở mức sáng nhất là 50.000 lumen

  • Khi mở rộng thiết bị, vấn đề nhiệt chính không phải ở bóng đèn mà là làm mát bộ nguồn. Nếu mở rộng thiết bị, tôi sẽ cân nhắc bộ nguồn ATX. Nó tương đối lớn, thường có sẵn làm mát chủ động bên trong, và có thể dễ dàng cấp hàng trăm watt ở 12V. Thông thường chỉ cần nối dây PS_ON với mass để bật nguồn

  • DIY Perks cũng từng thử làm ánh nắng nhân tạo tại nhà và tập trung vào các thứ như tán xạ Rayleigh. Video đó rất hay. OP có nhắc cụ thể đến DIY Perks, và thiết kế của OP gọn hơn rất nhiều. Tổng thể chỉ 19cm x 19cm x 9cm, khá gọn so với tiêu cự 5cm và vùng chiếu sáng hiệu dụng 18cm x 18cm. Các video của DIYPerks hay các sản phẩm thương mại như CoeLux đều chưa đạt được kiểu dáng này

  • Hay đấy, nhưng bạn có thể mua film tăng cường độ sáng rất rẻ trên AliExpress. Film tăng cường độ sáng là một loại film quang học trong suốt. Lớp dưới cùng nên có lớp phủ nền để tạo độ mờ nhẹ, lớp giữa là lớp đế PET trong suốt, và lớp trên là cấu trúc vi lăng kính. Khi ánh sáng đi qua cấu trúc vi lăng kính của lớp bề mặt, phân bố cường độ ánh sáng được điều khiển thông qua khúc xạ, phản xạ toàn phần, tích tụ ánh sáng, v.v.

  • Tôi thắc mắc vì sao lại chọn trace. Mỗi board có 7 tín hiệu, và tất cả đều hướng tới trở kháng thấp. Có thể để lộ đồng ở mặt sau của board để dùng làm tản nhiệt tạm thời. Không cần lo tác động của loop trong mạch, nhưng những vòng tam giác nhỏ kỳ lạ ở mặt sau khá dễ thấy

  • Năm ngoái tôi cũng làm điều tương tự, nhưng tập trung nhiều hơn vào phổ, và dùng đèn quay phim công suất cao có đầu ra phổ tốt hơn nhiều. Bạn có thể đạt được phần lớn hiệu ứng ánh sáng song song bằng cách thêm hyper-reflector đi kèm với hầu hết các loại đèn này. Sau đó tôi thêm một đèn nhiệt sợi đốt để bù phần IR của phổ, và thêm một đèn LED UV chuyên dụng cho phần UVA. Tôi không có chỗ để lắp riêng một bóng UVB

  • Tôi cũng từng bị cuốn vào việc làm ánh nắng nhân tạo tại nhà. Cuối cùng giải pháp tôi chọn là một bóng LED kiểu cone tương đương 300W giá rẻ (4000lm) và một đèn nhiệt sợi đốt 250W. Tôi quyết định tập trung vào nhiệt hơn là tính song song của ánh sáng. Tổng chi phí khoảng $75