Portada! Creando una lámpara rústica de cocina inteligente

A lo largo de los años he hecho varios proyectos y siempre han tenido algo en común: siempre he aprendido cosas nuevas al respecto. Así por ejemplo, aprendí a trabajar con ángulos raros en madera, después empecé a meterle un poco de mano a Arduino y finalmente me mandé un proyecto gigante donde aprendí sobre rotary encoders, pantallas OLED y (lo más importante): ESPHome. Hoy y después de una larga pausa de simplemente disfrutar de los proyectos previos, me decidí a mejorar la cocina y aprovechar de aprender de un tema que me fascina: la ciencia detrás de cómo funciona la luz.

Cabe destacar que este no es mi primer rodeo con luz, previamente había hecho un sistema Ambilight para detrás de la tele (cuyo estado actual debo decir que sigue siendo exactamente el mismo: no lo he actualizado) y tb aprendí sobre sistemas con dimmer de 0-10v.

Sin embargo, este proyecto es distinto ya que esta vez quiero armar yo mismo las ampolletas: aquellos que vieron mi video que explica un poco más sobre la teoría de la luz sabrán de lo que estoy hablando cuando digo que quiero lograr un efecto bien particular en mi cocina.

Qué tan difícil puede ser ah? Afortunadamente, hay gente que ya ha invertido tiempo en esto y han hecho unos videos excelentes que explican un poco más del tema, pero lamentablemente eso es sólo el 10% ya que otra cosa es con guitarra: como yo sabía muy bien lo que estaba persiguiendo me di cuenta rápidamente que podía tirar por la borda todo lo enseñado en ese video y que tendría que invertir muchísimo tiempo en aprender el teje y maneje de las ampolletas LED.

Así que eso hice! Sin embargo, antes de partir por ahí, veamos primero los requerimientos de este proyecto.

Requerimientos​

El objetivo que me propuso mi señora es bastante simple: primero quería algo que se viera mejor que las lámparas que tenemos actualmente:




El cómo da lo mismo, mientras sea más o menos en el mismo estilo que ya tenemos presente en la casa: harta madera y que se vea rústico. Y para ayer.

Con esos requerimientos por parte de mi señora, me puse a compilar mi propia lista de requerimientos:

1. Diferenciación de iluminación directa encima de la mesa que resalte los colores de la comida vs el resto de la cocina (temperatura de color que resalte detalles).
2. Luces 100% automatizadas: previamente había ocupado un sensor de lux para poder regular automáticamente el brillo de mi reloj binario y este concepto ha funcionado de las mil maravillas! Así que obviamente quiero hacer exactamente lo mismo en este caso... pero mejor! Aparte de poder establecer el brillo de forma automática, también quiero apagar y prender los dos circuitos de forma independiente y automático... pero con un overwrite manual. (Recuerdan mi artículo al respecto de los pilares para la domótica?).
3. Armar algo que aproveche mejor el espacio vertical: si podemos colocar algunas ollas grandes o colgar algunos ajos tanto mejor, así desocupamos los muebles que tenemos en la cocina también (para guardar aún más cachureos!).
4. Quiero instalar luces de buena calidad con un CRI alto (>90 al menos para una buena reproducción de colores).
5. La zona de la mesa debe conseguir al menos unos 500 lux (valor actual: cerca de 200 lux) a 3000K.
6. El resto de la cocina debe alcanzar unos 700 lux como mínimo a 5000K (valor actual: cerca de 160 lux).
7. El conjunto debe ser eficiente energéticamente: es preferible colocar pocas luces, pero eficientes vs muchísimas luces ineficientes.

Le puse harta atención a la temperatura del color, esto es porque los humanos somos seres que confían en la vista para todo, y eso incluye la comida. Restaurantes pitucos aprovechan esto e instalan lámparas y luces que resaltan ciertos colores para hacerlos más atractivos: colores más cálidos para resaltar carnes rojas, mientras que ocupan colores lijeramente más fríos para resaltar frutas / verduras o pescados. Cuando estamos en la casa nos pasamos cerca de la mitad del día en la cocina ya que es el punto central de mi casa en el primer piso, así que por lo mismo quiero tener una iluminación adecuada de buena calidad.

Insumos​

Debido a los requirimientos arriba descritos, llegué rápidamente a los LED de alta potencia. Estos son los que normalmente son ocupados en lámparas como los del tipo GU10: la gracia de estos es que en los últimos años han bajado considerablemente de precio y los fabricantes están soltando los datasheet al público normal. La minitiarización por el otro lado ha ayudado a que hoy en día uno mismo se pueda construir estos aparatos sin tener que construir un tremendo enclosure para meter toda la electrónica.

Como este proyecto iba a ser caro y el precio de la madera está por las nubes donde vivo, opté por no experimentar con madera y en vez de eso aprender a usar SketchUp: si bien es cierto había usado esta herramienta hace muchos años para hacer otros proyectos, se me había olvidado por completo cómo usarlo así que tuve que aprender casi de cero. Si ud querido lector trabaja frequentemente con madera o se dedica a hacer muebles, recomiendo encarecidamente que aprenda a ocupar SketchUp o cualquier otro programa de modelado 3D, uno se ahorra cualquier tiempo y posible experimentación cuando las papas queman.

Incluso antes de siquiera comprar la madera, me daré una palmada en la espalda por un trabajo bien hecho: la gran mayoría de los planes iniciales que tenía me los tiraron por la cabeza, el grosor de la madera que había elegido inicialmente resultó ser demasiado grande y gracias a los mismos planes también me ahorré plata en las luces: con el plano en 3D pude ver exactamente cómo se comportarían las LED en cuanto a iluminación: con eso me salvé de harta experimentación comprando piezas que al final no iba a ocupar.

Sin embargo, debido al tamaño y la complejidad de este proyecto sabía que me iba a echar harta plata. Prepárense:

Luces, electrónica, lentes, fuente, etc: €269.75 (09-04-2024)
PCB: €5 (21-04-2024)
Partes para PCB: €30 (21-04-2024)
Ventiladores Noctua: €40 (21-04-2024)
Madera: €60 (24-04-2024)
Sistema de sujeción al techo: €19 (10-05-2024)
Metales y otros materiales de sujeción: €20 + €15 (11-05-2024)
Tornillos y otros materiales (lijas, pintura aerosol negro. barniz, etc) que me faltaron al momento de armar todo: €130
Detalles finales de diseño: €38

Gran total: ~€630!!! (Unos 640.000 CLP)

No conté herramientas adicionales que tuve que comprar (la lijadora que tenía cagó justo cuando estaba en la pega por ejemplo así que tuve que comprarme unos nuevo...) pero aún así no escatimé mucho en gastos. Lo que también ayudó es que me demoré varios meses en pensar y crear el proyecto así que si bien es cierto fue una cifra alta, fue repartida entre varios meses.

El gran problema: refrigeración​

Una cosa a tomar en cuenta con los LED de alta potencia es la temperatura. Por lo general, la regla de oro establece que mientras más baja la temperatura, más durarán los LEDs.
Así que es importante hacer un buen trabajo de disipación de calor. Fácil cierto? Pues... esto fue un culo! En gran parte porque no hay forma de poder simular esto y los chinos son ultra poco informativos en la cantidad de watts que un disipador X puede disipar. Súmenlo a eso que aunque existe una forma de calcular lo que uno necesita mediante puras matemáticas, esto se salía mucho de mi zona de expertise así que decidí tomar el approach tradicional: comprando distintos disipadores e ir probando con tests de la vida real en el camino.

Lo primero que compré fueron unos disipadores de aluminio de 40x40x11mm: perfectos porque son chicos así que me cabían en prácticamente todas las posiciones que pudiera pensar. Sin embargo, cuando me llegaron y me dispuse a hacer las primeras pruebas largas (media hora prendidas), al 55% de potencia se calentaban a aproximadamente 42 °C. Más que bien cierto? Bueno, al 75% de la potencia, después de media hora el LED estaba llegando a los 60 °C. Extrapolando, al 100% de potencia iba a llegar más allá de los 90 °C.

Y pah drama! Porque según el datasheet de mis LED, la máxima temperatura operativa es de 90 °C!
Así que tuve que empezar de nuevo, y compré esta vez disipadores de 60x60x10mm que era lo máximo absoluto en cuando a tamaño que podía llegar, elevando la superficie cuadrada de refrigeración de 16cm2 a 36cm2. Un poco más del doble tenía que ser suficiente o no?



Pues cuando llegaron estos bloques, al 75% de brillo después de 4 minutos estaba a 48 °C (prometedor!) pero después de media hora se había estabilizado a 54 °C, apenas 6 °C menos que el bloque de 40x40mm. Hice algunas pruebas rápidas a 90% y otro a 100% (5 minutos) y la temperatura subió a 64 °C y 78 °C respectivamente. Si bien es cierto la temperatura al 90% estaba bien, la verdad es que quiero dimensionar para el 100%... así que de nuevo fue de vuelta a la mesa de dibujo y ver qué podía hacer para mejorar las temperaturas. Cabe destacar que a estas alturas ya me había gastado cerca de $50.000 en bloques de aluminio y cobre, así que lo primero que intenté fue pegar dos bloques de aluminio de 60x60 unidos con 2 heatpipes.

Fue acá donde me di cuenta que en mi prueba del 100% de brillo me había echado el cable dupont: aparentemente pasar 18v a 700mA es demasiado para estos cablecitos enanos así que para poder seguir probando, iba a necesitar de algo un poco más serio.

Sin embargo, también se me ocurrió otra idea: durante mis pruebas me di cuenta que un caudal de aire muy chico ya hacía maravillas con la temperatura: así que me puse a buscar si existían ventilador chicos que funcionaran a 5v y que fuesen controlables via PWM: estos los podré controlar directamente con el ESP32 también y para mi sorpresa: Noctua hace los candidatos perfectos: los NF-A4x20 5v PWM!

Estos ofrecen un buen caudal de aire (9,4 m³/h) a apenas 15 db(A). Probaré en la vida real qué tanta falta me hace una mejora al sistema de refrigeración: si me falta, siempre le puedo poner disipadores adicionales (conectándolos por ejemplo con un heatpipe) y no hay que olvidar que lo más probable es que esto sea siempre el peor escenario posible y que en la vida real nunca voy a llegar al 100% de lo que que son capaces de entregar los LEDs.

Fue así como llegué primero al diseño del PCB.

El PCB​

Ya que estaba trabajando con capacidades eléctricas más elevadas, lo primero que hice fue asegurarme de que el trace de y hacia los LEDs fuese más grueso que lo normal para reducir la resistencia en el PCB lo más posible. Así fue como terminé haciendo un trace de 3mm de ancho. Punto a mejorar para el futuro eso si: dejar el cobre al descubierto para ponerle una capa adicional de soldadura encima: si bien es cierto es casi despreciable, noté que la temperatura del trazado se eleva a los 42 °C (lo cual es por encima de la temperatura ambiente) cuando tengo todos los LEDs al 100% de potencia. Esto no es grave en lo inmediato, pero va a requerir eso si ocupar el otro lado del PCB para poder montar todas las piezas de forma correcta. De esta forma también puedo achicar un poco el trace.

Lo jodido de hacer el PCB fue que tenía que diseñarlo bien de una, ya que estoy ocupando y controlando 3 drivers distintos, donde cada una tiene asignado una sección de luces en particular. Estos drivers fueron bastante caros ($26.000 c/u), así que compré lo justo y lo necesario no más: eso significa que el PCB que iba a construir tenía que quedarme perfecto en el primer intento, por lo mismo estuve mucho tiempo probando distintos diseños y haciendo pequeñas pruebas en mi espacio de trabajo para cerciorarme de lo que estaba haciendo, estaba bien hecho.

Lo primero que tenía que considerar eran todos los periféricos que iba a conectar: un sensor de presencia, otro sensor de lux, un sensor de temperatura interior y los 2 ventiladores Noctua.

Además de eso, un tiempo después de la construcción de mi reloj binario este se caía a cada rato, y no hubo ninguna otra forma que no fuera conectándolo via serial para detectar el problema (spoiler alert: al final resultó ser un cable que estaba suelto). El único pero es que no le había hecho ninguna conexión serial! Así que a partir de este proyecto, todos mis PCB van a incluir una conexión directa al puerto TX y GND del ESP: de esa forma podré hacer debugging sólo al conectar unos cables.

Lo otro que quiero probar también, es cómo se comportan 2 drivers con una señal de PWM para ambos, así que también incluí la posibilidad de incluir un jumper, cosa que pueda probar qué tal. Si esto no funciona, siempre puedo volver atrás.

Así fue como di con el siguiente diseño lógico:



Lo que resultó en el siguiente diseño en PCB:



Encargué todas las piezas que iba a necesitar mediante JLCPCB y LCSC y me dispuse a esperar que llegara todo. Esto se demoró poco y cuando llegó, inmediatamente soldé todas las piezas resultando en el siguiente resultado:

Armando todo​

Lo bueno de SketchUp y JLCPCB es que trabajan con medidas exactas y son precisos, así que con eso pude calcular bastante bien (y hacer ajustes) del tipo de madera a comprar y -más importante- cuánto. El diseño final lo dejé como lo siguiente:



Como era todo digital, aproveché de hacer algunos ajustes también para aprovechar la madera que iba a comprar de la mejor forma posible, y así es como al finalizar el proyecto el único extra que me sobró fueron dos pedazos de madera de 8cm y ~20cm de la madera más gruesa, y dos pequeños extra de 10cm y ~55cm de la madera menos gruesa.

Pero me estoy adelantando! Lo más difícil de hacer en el sentido de que fue harta pega fueron las uniones del armatoste de abajo. Esto era madera de 5cm x 10cm y en retrospectiva podría haber ocupado la fresadora para esto como lo hice para los sacados de arriba pero en vez de eso ocupé martillo y cincel no más. El resultado final de esto fue lo siguiente:



Cuando procedí a armarlo todo me di cuenta que la rejilla metálica se hundía mucho en el centro con un poco de peso, así que tuve que ponerle un pequeño refuerzo. Después de eso procedí a lijar y a pintar con barniz y después de varias capas y harta paciencia, instalé las LEDs, escondí todo el cableado, instalé el rotary encoder y le puse todos los detalles:



El peso de esta estructura? Sabía que me iban a preguntar, así que obviamente lo pesé: 15kg en total (sin contar las cadenas que pesan otros 2kg en total).

Ya que estamos hablando de peso, otro desafío fue que necesitaba hacer el armatoste de arriba, que era el que iba a sujetar todo. Me junté antes con un amigo que es ing. mecánico para que me orientara a ver la mejor forma de sujetar todo al techo. Llegamos a una solución bastante elegante que combinaba el poder colgar todo al techo anclado a las vigas en 2 puntos (afortunadamente pasa una viga a 3cm del centro de la mesa, así que flor: puedo ocupar eso), donde cada punto era capaz de aguantar al menos 100kg por si solo (c/u de los anclajes que compré era capaz de aguantar 1.2kN o 122kg) y donde podía montar y desmontar todo de forma fácil: además me permitía hacer ajustes en caso que el techo estuviera un poco chueco y lo mejor de todo es que el trabajo pesado no iba a recaer sobre la madera, sino sobre unos soportes metálicos. La idea del montaje era el siguiente:



Combiné esto con dos tornillos M10 de 70mm que iba directo a la viga (las vigas que tengo en la casa son de 20cm x 6cm de ancho) y después de medir por lo menos 5 veces para estar absolutamente seguro de la ubicación hice los hoyos, monté los tornillos y para mi suerte calculé todo bien así que más hoyos no fueron necesarios menos mal.

Una vez montado toda la circuitería y después de haber ordenado rápidamente los cables y poner los ventiladores de forma provisoria en su lugar (vendrá una mejor opción para montar esto en el futuro) quedó más o menos así:



Ya con eso, estaba en principio listo para montar todo, así que hice una prueba final encima de la mesa para cerciorarme de que todos los sensores y circuitería funcionaran bien:



Y después de eso fue cosa de montar todo, conectar los cables y empezar a programar los detalles que me habían faltado. No pondré todo el código aquí, pero la última versión la pueden ver siempre en mi Github.

Y es así queridos lectores que llegué al resultado final:



Quedé muy conforme especialmente con la decena de detallitos finales que no detallé en este post pero que me tomaron un tiempo bastante considerable en terminar. Y bueno... ahora tendremos que juntar ollas de cobre para ir amononando!

Saludos.