Sistema Iluminacion Led Acuario Arrecife

El proyecto consiste en un sistema de iluminación led para cubrir las necesidades de un acuario marino de arrecife, sistema capaz de suministrar un espectro controlado en potencias y longitudes de onda.

He empleado los ratos libres de varios meses en realizar este trabajo, la parte mecánica es muy laboriosa, aunque la parte de hardware electrónico y programación tambiém emplea su tiempo, con respecto al tema económico ha supuesto un gasto de unos 350€, teniendo en cuenta que disipadores, tornillería, aluminio y algunos componentes ya los tenía anteriormente.

Si tenemos en cuenta el gasto de materiales y horas de trabajo empleadas, sin duda alguna merece la pena optar por una pantalla de tipo comercial, sería lo lógico, pero he preferido tirarme de cabeza al cacharreo, de esta manera yo elijo marca y características de los leds que utilizo, así como el resto de componentes y diseño personalizado.

La pantalla lleva ya casi un año funcionando, y de momento cumple de sobra las espectativas para las cuales la diseñé.

El sistema incluye:

• 4 unidades de iluminación (clústers), con 22 leds por clúster
• 328W de potencia LED total, 82W por clúster
• 8 canales led de regulación independiente
• Control horario independiente por canal
• Rampas de amanecer y atardecer configurables
• Un canal luz lunar nocturna
• Sistema de control de temperatura de leds y ventilación controlada
• Parámetros y menús configurables desde teclado y display
• Pendiente de implementar control bluetooth

 Los clústers van montados sobre disipadores térmicos de aluminio, y éstos a su vez refrigerados por ventiladores.

Los leds van agrupados en 8 canales, los cuales son alimentados por drivers independientes, lo que permite tener una regulación total de potencia de los distintos colores. Hay noveno canal encargado de controlar la luz lunar nocturna.

El sistema de control lo lleva a cabo un Arduino Mega 2560, mas una pcb desarrollada para este proyecto, la cual va pinchada sobre el Arduino Mega, tipo shield.

Para la extructura de la pantalla he utilizado:

• Perfil pvc negro en forma de L (10x40) mm
• Placa sandwich de aluminio de 2,5mm
• 4 x Disipadores de aluminio (15x14x2,5) cms
• Metacrilato 5mm
• Tornillería 3mm

La parte técnica compuesta de:

• 4 x PCB aluminio donde van montados los chip LED
• 3 x PCB drivers, encargados de regular la potencia de los canales
• Arduino Mega 2560
• PCB control (shield para Arduino Mega)
• PCB pantalla y teclado
• 2 x Ventiladores 80x80x10 de 12V
• Fuente de alimentación externa 36V / 16A
• Fuente alimentación interna 12V, 8V / 1A

Corto el perfil plástico para hacer un perímetro rectangular que sirva de estructura para atornillar los disipadores, los cuales taladro y hago rosca M3.

En la parte plana de los disipadores irán montado más tarde los pcb de aluminio que contienen los leds con sus lentes, hay que replantearlo de manera precisa para dar la altura adecuada a los disipadores en el perfil.

Hago dos extructuras iguales, ya que la pantalla consta de de 4 clústers con sus 4 disipadores

Con placa sandwich de aluminio de 2,5mm corto con sierra para metal el rectángulo de la base, en el cual hay hacer dos ventanas circulares, éstas las hago con Dremel y paciencia.

Las ventanas circulares se cerrarán mas adelante con metacrilato, y deben estar centradas con los disipadores.

Esta pieza se pega a la base del perfil plástico, para que el conjunto quede sólido y estanco.

Esta pieza cubre el conjunto de la pantalla, se atornilla igualmente a los disipadores de aluminio, proporcionando consistencia a la pantalla.

Uso el mismo tipo de aluminio, una vez cortado, hay que acanalar la placa, para que se pueda plegar facilmente

Hay que practicar una apertura circular para alojar el ventilador

También vemos el mecanizado para el display y teclado de control

Los tubos de aluminio, con ayuda de las varillas roscadas, nos sirven para unir mecánicamente las dos partes de la pantalla y más adelante también los usaremos para realizar conexiones de cableado entre ambos módulos.

En la primera foto vemos unos PCBs de color blanco, que son las que vamos a usar para montar los LEDs, están construidos en base de aluminio para disipar correctamente el calor emitido por ellos durante su funcionamiento. La distribución de los LEDs la he realizado tomando referencia de algunos modelos comerciales, adjuntaré los archivos gerber por si alguien los necesita.

La fabricación de los PCBs del proyecto ha realizó una empresa de manufacturación low cost china, yo siempre trabajo con la misma, por precio, calidad y rapidez, aunque supongo que todas funcionarán de la misma manera.

Los Leds tienen un encapsulado smd 35x35, hay también un led central smd 1206 blanco, encargado de la luz nocturna y una resistencia smd 1206 de 0 ohm que sirve de puente. La composición LED por clúster sería la siguiente:

• 4 Cree XTE blanco 6000k     5w Canal 1
• 4 Cree XTE royal blue             5w Canal 2
• 4 Cree XP-E2 blue                 3w Canal 3
• 2 Cree XP-E2 green              3w Canal 4
• 2 Cree XP-E2 Photo red         3w Canal 5
• 2 Cree XP-E2 blanco 3000K   3w Canal 6
• 2 Semiled violeta                  3w Canal 7
• 2 Semiled UV                         3w Canal 8
• 1 Smd blanco 6000K            100mw Canal 9

Con este tipo de PCBs de base aluminio nos encontramos con la particularidad de que necesitamos bastante calor para realizar las soldaduras de los chips led, ya que la temperatura se disipa rápidamente. Lo suyo sería usar un horno para soldadura, pero desgraciadamente no dispongo de él, así que he usado una estación de precalentamiento, que aunque no llega a la temperatura de fusión de la pasta de soldadura por sí solo, con una pequeña ayuda de aporte extra de calor con la pistola de aire se soluciona el problema, y las soldaduras quedan perfectas. Siempre queda la opción de encargar el PCB con los chips ya montados, estas empresas de manufactura se adaptan perfectamente a las necesidades del cliente.

También hay que soldar los pines para los conectores del cableado, que las hago con soldador tipo lápiz con la placa precalentada anteriormente. Este PCB irá atornillado a su disipador de aluminio, al que anteriormente habremos taladrado y roscado para tal fín, además aplicaremos pasta térmica para favorecer la transferencia de temperatura.

En la última foto vemos las lentes para los LEDs, no las monto hasta última hora para evitar que se estropeen.

Si hacéis pruebas de funcionamiento de los canales antes de montarlo en el disipador, no hacerlo durante mucho tiempo ni a mucha potencia, ya que la alta temperatura que alcanzan los LEDs podrían dañarlos.

Esta PCB da soporte a cuatro drivers similares, basados en el chip ILD6150, que es un controlador LED de alta eficiencia, soporta tensiones de hasta 60V y maneja corriente máxima de 1,5A. Incorpora internamente un sistema de protección de sobretemperatura, la cual hará disminuir la potencia de los LEDs al superar una determinada temperatura, de acuerdo con gráfico figura 3 del datasheet, en mi caso he usado una resistencia R6 de 20K como configuración.

La potencia que entrega el driver es proporcional a una señal PWM que se aplica al chip desde la PCB de control

También podemos configurar la intensidad máxima que entrega el driver a los LEDs, lo que permite una seguridad extra a la hora de proteger su vida útil.

Los componentes por cada driver son los siguientes:

• R1         8K2
• R2          22K
• R3,R4,R5    *
• R6          20K
• C1          47uF / 50V
• C2          10uF / 16V
• Cx1       4,7uF / 50V
• Cx2       1 uF / 50V
• D1         Schottky 1A / 100V
• L1          47uH
• IC1        ILD6150

Debido a la alta temperatura que se alcanza en el chip durante su funcionamiento, decidí montarlo sobre cuatro pads pasantes, para aplicar una soldadura generosa que sirviera de conducción térmica hasta el disipador de aluminio, aunque creo que no hubiera sido necesario, pero ....

La combinación de resistencias R3, R4 y R5 en serie o paralelo es la que determina el valor de Rsense, que se calcula según fórmula del datasheet y es la que limita el máximo valor de intensidad de salida del driver.

Con el fin de alargar la vida de los LEDs lo máximo posible, nunca trabajarán a la intensidad máxima que soportan, adjunto tabla de los valores de Rsense usados y las intensidades limitadas que alcanzaremos por driver

Toca ahora montar las PCBs de control y teclado/pantalla, de esta placa saldrá todo el cableado de interconexión de los elementos de la pantalla,ventiladores, sensores de temperatura, salidas PWM, además se encarga de controlar:

• Sensores de temperatura de los cuatro clústers
• Velocidad de los ventiladores
• Salidas PWM de control de drivers
• Teclado y Pantalla oled
• Módulo RTC control horario
• Módulo bluetooth

Esta placa irá pinchada encima de un arduino mega, que será el que verdaderamente, junto con el código de programa, controle todo el sistema.

Componentes pcb control y teclado

• LM35 sensor temp, x4
• R1, R3,R5,R8,R10, 10k
• R2,R4,R6, 120k
• R9, 1k
• C1,C2, 22uF / 25v
• D1, D2,D3, 1N4148
• Q1, Q2, 30N06, mosfet N
• Q3, Q4, 2N2222
• Buzzer
• Módulo RTC, DS3231
• Módulo Bluetooth 
• Microswitch, x5
• Módulo pantalla Oled 1,3” 128x64
• R7, 390 ohm
• Led 3mm

Todo este sistema se alimenta desde una fuente de alimentación conmutada, exterior a la pantalla, y que conecta con ella a través de un conector XT60.

La fuente nos proporciona una tensión de 36V y una intensidad de 16A, aunque está ajustada a 32V, que es el voltaje al que se alimentan los drivers.

Por otro lado necesitamos 12V para alimentar el circuito de control de los ventiladores, para ello he usado un convertidor DC/DC ajustable, el famoso LM2596, con el que se reduzco de manera eficiente los 32V de la fuente a 12V.

También necesito alimentar el Arduino Mega, para ello reduzco los 12V anteriores a 8V, que conecto al Vin del Arduino, y lo hago con un regulador 7808

Aquí vemos todo el ensamblado y cableado del proyecto, así como las primeras pruebas de funcionamiento.

Muestro el detalle de uno de los cuatro sensores de temperatura LM35, alojado en el centro del disipador, entre las aletas de aluminio, dependiendo de la temperatura de los clústers y de los valores configurados en software, los ventiladores funcionarán a mayor o menor revoluciones.

En la última foto vemos por donde entra el aire a los disipadores cuando los ventiladores entran en funcionamiento.

El control y configuración de todo esto se lleva a cabo mediante 5 pulsadores (up, down, left, right y ok) y una pantalla oled 1,3" 128x64 monocromo, donde se navega por los distintos menús del programa.

Pues con esto termino, sé que falta mucha información, pero es dificil documentar en pocas líneas, el trabajo de tantas horas, sólo espero que a alguien le haya servido todo esto para algo, jeje.

Si alguien tiene alguna consulta intentaré contestarla, pero paciencia, no dispongo de demasiado tiempo.