Proyecto DIY - Mini Módulo de Iluminación LED de 18W para Nano Arrecife

El módulo de iluminación LED que vamos a construir está compuesto por 4 LEDs blancos de 3W con una temperatura de color de 8.000K de 160 lumens y 2 LEDs azules de 3W de 465nm de 25-30 lumens aproximadamente. La totalidad de los 6 LEDs blancos y azules nos dará una fuente de iluminación LED de aproximadamente 750 lumens con una temperatura de color que se ubicará entre 10.000K - 12.000K, dependiendo del voltaje que se le aplique al circuito.

LEDs de la 1ra y 3ra Generación
Los chips que estamos utilizando en esta oportunidad para este proyecto fueron adquiridos hace 3 o 4 años atrás, y corresponden a la primera generación de LEDs de alto poder o alto brillo. Estos LEDs no son los más brillantes o eficientes del mercado como ustedes se podrán imaginar, pero es el tipo de chip o LED que normalmente se consigue en la mayoría de los países en donde la tecnología no está a la par aún con los mercados más actualizados, y debido a esta razón decidimos utilizar estos chips para documentar el presente proyecto, con la finalidad de facilitar la adquisición de los componentes.

Más adelante les mostraré y realizaremos un proyecto con chips de 12.000K y 15.000K de la tercera generación, con los que se pueden generar 220 lumens con el mismo consumo eléctrico a 700 mA para un total de 1320 lumens o lúmenes con la misma cantidad de chips o LEDs (6 LEDs).

Heatsink o Disipador de Calor
A diferencia de los chips, los heatsinks o disipadores de calor que estamos utilizando si están actualizados y están hechos con una aleación especial de aluminio anodizado (6063), que permite un mayor intercambió térmico. El diseño ventilado con cortes transversales en ambas caras permite el flujo de aire dentro del heatsink para un rendimiento óptimo de intercambio de calor en un espacio muy reducido. No se recomienda construir módulos de iluminación LED tan compactos o de estas dimensiones a menos que se cuente con este modelo de heatsink o un disipador de calor con las mismas características para evitar colapsos en los chips por exceso de temperatura.
>> Para mayor información ver Medición de Temperatura en LEDs

Housing o Carcasa de instalación
Como housing o carcasa de instalación para nuestro proyecto LED de 18W vamos a utilizar un estuche de acrílico transparente que proviene de un disco duro externo que compré el año anterior. La carcasa o housing no tiene que ser necesariamente de acrílico transparente y podría ser de cualquier otro material que sea lo suficientemente rígido para soportar la instalación. Ustedes pueden utilizar madera balsa para maquetas, e inclusive cartón corrugado que podría ser recubierto después con fibra de vidrio y pintado posteriormente con laca o pintura martillada de la textura y color de su elección.

Ventilador o Extractor Electrónico de 12V DC
Los heatsinks que estamos utilizaron para este proyecto son extremadamente eficientes, pero teniendo en cuenta que serán utilizados en un espacio encerrado, sería prudente y recomendable utilizar un ventilador electrónico para extraer el calor dentro del estuche de acrílico o carcasa.

El modelo de ventilador o extractor que vamos a utilizar es un modelo de 12V DC (corriente directa) 0.11 Amp - 3500 rpm de bajo ruido. Podríamos utilizar un extractor más potente y eficiente de 6000 - 10000 rpm, pero serían más ruidosos y en realidad no harían falta porque solo necesitamos crear una pequeña corriente ascendente a través del heatsink para evitar que el calor se acumule. Ustedes verán la eficiencia de estos heatsinks cuando hagamos la medición de temperatura, y entederán porqué no hace falta instalar un ventilador más potente o ruidoso.

Medidas
Las medidas de las piezas y componentes que hemos mencionado hasta los momentos son los siguientes:

Dimensiones de piezas y componentes en cm. (largo x ancho x alto)
- heatsink o disipador de calor (medida individual) = 2.8 x 2.8 x 1.2
- grupo de 8 heatsinks armados en 2 filas de 4 = 10.3 x 5.7 x 1.2
- housing o estuche de acrílico transparente = 11.8 x 8 x 2.8
- ventilador o extractor electrónico de 12V DC = 5.8 x 5.8 x 1.5

Componentes
4 - LEDs Blancos de 3W (3.6V - 3.8V) de 700mA de aprox. 8000K
2 - LEDs Azules de 3W (3.6V - 3.8V) de 700mA de aprox. 465nm
8 - Heatsink de aluminio de aleación 6063 con diseño para ventilación interna
1 - Cable para conexión electrónica de 2 líneas de 30cm de largo (color violeta y naranja en este proyecto)
1 - Transformador de 12V ~ 2.5 Amps
2 - Resistencias de 1 ohms - 1 watt
1 - Clavija hembra con terminales para puntos de soldadura para conexión de transformador

Materiales
1 - Tubo de compuesto termotransferible siliconizado o silicona termotransferible
1 - Rollo de estaño para soldadura eléctrónica con centro o alma de resina (resin core)
1 - Resina desoxidante
1 - Pincel con celdas de nylon y punta plana
1 - Rollo de tape eléctrico o termoencogibles para conexión de cables de 3 mm.
1 - Fórmula limpiador - desengrasador de uso doméstico
1 - Pegamento epóxico tipo A+B

Instrumentos y herramientas
1 - Tester electrónico digital para electrónica
1 - Cautín o Soldador para uso en electrónica con puntas intercambiables
1 - Punta para soldadura electrónica estándar o cónica
1 - Cautín o Soldador de 80W con punta en forma de bisturí para cortes en plásticos o acrílicos
1 - Pinza para soldar
1 - Picador de cable
1 - Pelador de cable
1 - Base de asistencia para soldadura con pinzas, brazos giratorios-articulados, soporte para cautín y lupa o lente de aumento. (este módulo de asistencia es opcional pero, recomendado para quienes no tengan práctica con soldadura electrónica)
>> haga click para ver las imágenes del listado de componentes, instrumentos y materiales utilizados en proyectos anteriores

Paso 1 - Ensamblaje de Heatsinks o Disipadores de Calor
1 - Colocar compuesto o silicona termotransferible en los costados de los heatsinks o disipadores de calor en los bordes "delgados" del disipador, para crear "aletas" paralelas en la parte superior del grupo de heatsinks que vamos a armar. Fijarse en las secuencias de fotos al final de esta sección.
2 - Colocar compuesto o silicona termotransferible en los costados de los disipadores de calor. Nota: colocar silicona solamente en la cara que se va a juntar en estos momentos.
3 - Colocar 2 piezas de heatsinks o disipadores de calor sobre un papel bond y orientar las superficies de los heatsinks o disipadores de calor que van a ser juntadas antes de proceder a unirlas.
4 - Presionar ambos heatsinks hasta que el exceso de silicona o compuesto termotransferible salga por los bordes, cerciorarse que los heatsinks estén perfectamentes alineados. No limpiar o mover los disipadores de calor en los próximos 10 minutos.
5 - Después de 10 minutos podemos sostener el papel bond con una mano y hacer una pequeña presión con un objeto sólido, en dirección horizontal en la base de los heatsinks para evitar que el exceso de silicona en la parte inferior de los disipadores de calor solidifique y quede adherida de forma definitiva al papel bond.

Paso 2 - Conexión del Circuito LED en las 2 Series de 12V
1 - Ordenar la polaridad de los chips, dirigiendo todos los terminales (+) positivos hacia la parte superior, y todos los terminales (-) negativos hacia la parte inferior, aplicar compuesto o silicona termotransferible en la parte posterior de los LEDs para fijarlos al disipador de calor que hemos construido con las 8 piezas de heatsinks, alinear los chips antes de que comience a endurecer el compuesto termotransferible (2~3 minutos aproximadamente), presionar con firmeza cada uno de los chips hasta que la totalidad de su base haga contacto directo con los disipadores de calor, dejar reposar la instalación por 30 minutos antes de proceder al siguiente paso.
2 - Cortar 4 trozos de cables de color violeta para conectar todos los retornos del polo negativo en las 2 series de 3 LEDs, recortar la cubierta en los extremos de los cables con el pelador de cable y aplicar estaño en cada una de sus puntas.
>> ver detalles para preparación de cables y chips en proyectos anteriores.
3 - Comenzamos la conexión del circuito con los retornos de las 2 series que estarán compuestas por los 4 cables que preparamos en el paso anterior. Vamos a empezar con el polo negativo (-) del primer chip de la parte superior, conectando al polo positivo (+) del segundo chip en la parte inferior, conectamos el polo negativo (-) del segundo chip con el polo positivo (+) del tercer chip para terminar cada serie.
4 - Tomar los cables de color naranja y unir uno de sus extremos al polo positivo (+) del primer chip de cada serie.
5 - Tomar 2 trozos de cable de color violeta y unir uno de sus extremos con el polo negativo (-) del tercer chip de cada serie. Recortar los cables naranjas y violetas para que queden a la misma distancia como se muestra en la 5ta foto de la parte inferior.
6 - Posicionar los cables hacia el costado derecho del heatsink, unir los 2 cables violetas y 2 cables anaranjados como se muestra en sexta foto para unir los 4 cables de las 2 series y convertirlos en 2 lineas.

Paso 3 - Preparación del Housing o Carcasa de Acrílico
1 - Marcar la línea de corte en la parte inferior del estuche de acrílico para la toma de ventilación del heatsink del módulo de iluminación LED. La medida del heatsink que vamos a instalar en la carcasa es de 10.3 x 5.7, así que el rectángulo que vamos a recortar deberá de ser ligeramente inferior para asegurar la instalación, en este caso será de 9.5 x 5 cm.
2 - Para iniciar el corte vamos a emplear una regla o guía de aluminio que nos sirva para crear una hendidura a lo largo de las líneas que hemos trazados para definir el rectángulo a recortar.
3 - Para realizar la hendidura y el corte en el acrílico vamos a utilizar el cautín o soldador de 80W con la punta de corte. La punta deberá de estar y limpia para facilitar el corte, durante su operación se puede emplear una espátula de madera para limpiarla o liberarla del exceso de acrílico cada vez que haga falta para evitar la acumulación de material sobre el mismo.
4 - Pasar la punta de corte en el acrílico con la ayuda de la regla o guía de aluminio las veces que sea necesario hasta que la hoja traspase el acrílico. Mantenga la punta en movimiento y no haga presión sobre el acrílico para evitar la acumulación de material en los costados.
5 - Dependiendo del grosor, el acrílico puede ser sumamente frágil y quebradizo. No intente hacer presión o forzar la pieza para que se desprenda, la misma de desprenderá con facilidad cuando los bordes estén totalmente liberados.
6 - Utilizar limas planas rectangulares y cuadradas para eliminar el exceso de acrílico fundido y rectificar los bordes en la carcasa de acrílicos. Tómese su tiempo para hacerlo y recuérdese que el acrílico es frágil y quebradizo.

Paso 4 - Conexión de Resistencia y Extractor de Aire con la Clavija de Alimentación
El módulo LED de 18W que estamos construyendo está compuesto por 2 circuitos en series independientes de 12V y un ventilador o extractor electrónico de 12V. Cada elemento componente podría ser alimentado de forma independiente con un transformador de 1 ampere, pero para simplificar la tarea vamos a puentear o unir las 3 líneas para utilizar un solo transformador para alimentar los 3 componentes. Al final de la sección del paso 2, ya habíamos unido las líneas de las 2 series de LEDs para convertirla en una sola línea, cada serie consume aproximadamente 1 ampere para un total de 2 Amps en esa línea. El extractor que vamos a utilizar es de apenas 0.11 Amps y sumado a las 2 series de LEDs consumiría 2.11 Amps, pero como no existe transformadores de 2.11, vamos a utilizar uno de 2.5 Amps.

Para alimentar los LEDs y el extractor vamos a utilizar una clavija hembra que recibirá los terminales positivos (+) y negativos (-) provenientes de esos componentes.
1 - Primero unimos el cable anaranjado con el cable rojo del extractor y lo soldamos en la parte posterior de la clavija hembra para alimentar el positivo (+).
2 - Para la conexión de los terminales negativos (-) no podemos unir el cable negro del extractor directamente con el cable violeta al terminal negativo de la clavija, porque el retorno del circuito LED necesita una resistencia de 1 Ohms para no sobre cargar los LEDs de 3.8V
Para no enredar la conexión vamos a soldar los cables de los terminales negativos por separados:
a - El cable negro del extractor lo soldamos directamente al terminal negativo de la clavija y con eso tenemos conectado el extractor.
b - El terminal del cable violeta será soldado a una resistencia de 1 Ohms antes de conectarse al terminal negativo (-) de la clavija hembra. Soldamos el extremo del cable violeta a un extremo de la resistencia, y el otro extremo de la resistencia será conectado directamente al terminal negativo de la clavija.

Paso 5 - Preparación del Housing o Carcasa de Acrílico para el Extractor y la Clavija
1 - Marcar la tapa del estuche de acrílico en la parte superior con un circulo de aproximadamente 6 cm. de diámetro.
2 - Utilizar el cautín con la punta de corte para hacer un corte circular sobre la marca. El corte se hará a pulso porque no tenemos una guía circular con esas medidas.
3 - Pasar la punta de corte hasta desprender el circulo, puede remover parte del exceso de acrílico con la misma punta de corte.
4 - Utilizar el cautín y la punta de corte para crear un corte rectangular en el borde superior del estuche de acrílico por la parte posterior del mismo, este espacio será para empotrar la clavija hembra que será alimentado con el transformador de 2.5 Amps.
5 - Utilizar la lima cuadrada para rematar los bordes del corte para la clavija hembra, recuérdese que el acrílico es frágil y quebradizo. El tamaño del rectángulo puede ser ligeramente mayor al tamaño de la clavija porque la instalación de la misma se hará con pegamento epóxico.
6 - Utilizar la lima redonda para remover el exceso de acrílico derretido en la tapa del estuche, no hace falta detallar mucho con la lima porque el borde del círculo puede ser rematado después con una lija número 80, 150 y 200 hasta que se obtenga el resultado deseado.

Paso 6 - Asegurar Instalación
1 - Mezclamos pegamento epóxico tipo A+B sobre un trozo de papel bond con una pequeña espátula. Mezclar solo la cantidad que se pueda utilizar en 30 segundos.
2 - Colocar la instalación dentro de la carcasa de acrílico y colocar pegamento en los costados y en la base de los heatsinks para asegurarlo contra las paredes y parte inferior de la carcasa. Esperar que endurezca antes de proceder al próximo paso.
3 - Colocar pegamento en el corte rectangular del borde de la carcasa en la parte posterior para asegurar la clavija hembra que recibirá la entrada de corriente DC proveniente de la clavija del transformador. Esperar que endurezca antes de proceder al próximo paso.
4 - Chequear el extractor y ubicar el lado que ventila para colocarlo en dirección opuesta al grupo de heatsink. Queremos que extraiga aire de los heatsink y no que sople contre los mismos.
6 - Colocar el ventilador o extractor sobre el grupo de heatsink, asegurarse que este alineado con el corte circular en la tapa del estuche de acrílico, colocar una pequeña porción de pegamento en los bordes "exteriores" del extractor para fijarlo a los heatsinks.
5 - Esperar unos 30 minutos para darle tiempo al pegamento epóxico para que endurezca en su totalidad antes de probar la instalación. La sección en donde está instalada la clavija hembra es bastante frágil y conviene reforzarla con varias capas de pegamento epóxico.

Instalación o Sujeción del Mini Módulo de Iluminacón LED
El módulo es sumamente liviano y podría ser sostenido con pegamento epóxico a dos varillas de acrílico de aproximadamente 7 u 8 mm de diámetro que a su vez podría ser sujetadas al mueble o la pared, las varillas pueden ser ubicadas en librerías y en tiendas con suministros para maquetas. El módulo podría ser sujetado también con tubos de aluminio o cobre de 5 o 6 mm de diámetro, estos son bastante flexibles y podrían ser doblados con facilidad para ser instalados en la base del mueble o de la pared, solo asegúrese que se mantenga a cierta distancia de la superficie del agua para evitar que entre en contacto con las salpicaduras que podrían formar gotas de agua que caigan nuevamente al acuario. Pinte preferiblemente los tubos con primer y pintura martillada para protegerla del salitre. Por último, el módulo podría ser suspendido con nylon que irían sujetos al techo o a algún mueble o superficie que pueda estar encima del acuario.

Más adelante inventaré algo con acrílico quizás, y lo agregaré a esta sección para que ustedes puedan usarlo cómo referencia para fabricar su propia base de sujeción.

Verificación de temperatura en componentes y distintos puntos del mini módulo de iluminación LED de 18W
El disipador de calor que utilizamos para este proyecto es probablemente el heatsink que ofrece mejor disipación térmica entre todos los disipadores de calor de 1W y 3W que posiblemente puedan existir en el mercado.

Es difícil explicar con palabras o creer el nivel de eficiencia de este diseño y de esta aleación de aluminio, así que vamos a demostrar con hechos la eficacia de este modelo de heatsink, y para ello lo vamos a comparar contra los modelos comerciales de iluminación LED más eficientes y de mayor producción o consumo en el mercado.

Focos o Reflectores PAR
Los focos o reflectores PAR en sus formatos PAR20, PAR30 y PAR38 son sin lugar a dudas los modelos más comercializados del mercado en el sector de la iluminación comercial. La alta demanda y el nivel de competencia entre los productores hacen que los modelos en estos formatos sean sumamente eficientes y avanzados. Las grandes empresas invierten enormes cantidades de dinero, recursos humanos y esfuerzos para mantener actualizados sus diseños con el solo propósito de aportar confiabilidad en esta línea de producto, y la clave para esa confiabilidad está en la habilidad para controlar y administrar la temperatura en los LEDs.

Para la prueba que vamos a realizar, vamos a encender cada reflector PAR por un espacio de 10 minutos antes de tomar la muestra para tratar de llevar a cada unidad a su punto máximo de temperatura. Las muestras en los reflectores PAR será tomada en la superficie del disipador de calor y no sobre la superficie de los LEDs que es en donde está ubicado el punto más alto de temperatura, hubiera sido bueno tomarlos en ese sitio, pero era complicado desarmar los focos para llegar hasta ese lugar y por eso decidimos no hacerlo. La prueba será realizada a una temperatura ambiente de 23°C.

Resultados de la prueba:

Focos PAR
1 - PAR20 - modelo de 3W (3 x 1W) : 47°C grados centígrados en la superficie del disipador de calor después de 10 minutos de encendido.
2 - PAR30 - modelo de 7W (7 x 1W) : 44°C grados centígrados en la superficie del disipador de calor después de 10 minutos de encendido.
3 - PAR38 - modelo de 15W (15 x 1W) : 47°C grados centígrados en la superficie del disipador de calor después de 10 minutos de encendido.

Módulo LED 18W
1 - 26°C grados centígrados en el aire proveniente del extractor en la parte posterior del módulo
2 - 27°C grados centígrados en la superficie del disipador de calor después de 10 minutos de encendido.
3 - 28°C grados centígrados en la superficie de la base del chip o LED de 3W después de casi 20 minutos de encendido.

Resumen:
Los reflectores o focos PAR tuvieron un incremento de 24°C en los modelos de PAR20 y PAR38 de 3W y 15W respectivamente, y un incremento de 21°C en el PAR30 de 7W que al parecer es el que tiene el mejor sistema de disipación de calor debido al diseño de las aletas ultras delgadas de su disipador.

El mini módulo de iluminación LED apenas incrementó 3°C en el aíre proveniente del extractor, 4°C grados en el centro de la superficie del grupo de disipadores de calor, y 5°C en la superficie de la base del LED de 3W después de "20 minutos de encendido". Extendimos el funcionamiento del mini módulo para ver si lograbamos obtener una lectura más alta, pero no fue posible.

Sabemos que el mini módulo de iluminación LED tiene un pequeño ventilador en su parte posterior, pero hay que tomar en cuenta que son chips de 3W funcionando al 100% de su capacidad. Los PAR no tenían ventiladores pero eran chips de 1W que son famosos por su baja generación de calor, y trabajando quizás a tan solo 80% - 90% de su capacidad máxima.

Y por último, hay que recordar que aunque nuestro modelo de módulo de iluminación LED se llame "Mini", tiene en realidad 18W de consumo, el cual es superior al reflector PAR más grande que utilizamos en la prueba.

Los heatsinks o disipadores de calor que utilizamos en este proyecto estarán pronto para la venta, y las personas interesadas en distribuirlas en Latinoamérica y en España me pueden contactar para mayor información.