Киевский клуб любителей астрономии "Астрополис"

astromagazin.net
* *
Ласкаво просимо, Гість. Будь ласка, увійдіть або зареєструйтеся.
27 Лютого 2020, 20:25:55

Увійти

google


       Летом 2013 г. купил камеру ASI120MM v.1.3 еще без порта автогида и защитного стекла. Понравилась высокая чувствительность (по паспорту 6.0 V/lux-sec), малая потребляемая мощность матрицы 270mW и возможность давать картинку 12 bit. На рис.1 показано, как увеличение усиления позволяет сократить выдержку.


Fig.1. Exposure vs Gain for the same level of signal.

Не понравился уровень шумов при длительных выдержках и высоком усилении. Поскольку планировал использовать не только для планетной съемки, но и для дипская, решил посмотреть, что можно сделать для уменьшения шумов охлаждением.

P.S.Для удобства англоязычных пользователей подписи рисунков на английском.



1. Режим работы

            Удивила высокая температура малопотребляющего сенсора. С вроде бы огромным корпусом – радиатором при температуре в комнате +23°C на матрице до 42°C. Эта температура в зависимости от режима работы меняется. Оказалось, потребление энергии камерой зависит от режима работы, см. таблицу. Данные для потребляемого тока (mA) получены для выдержки 1c при работе под управлением FireCapture v.2.3.

 

Binning 1x1

                        Resolution

Bit        1280х960        ROI 640х480

8          103 mA           130 mA

16        82 mA             96 mA

 

Binning 2x2

Bit        640х480

8          102 mA

16        82 mA

 

Выводы: 1) потребление меньше при включении режима 16 bit. Это хорошо для дипская.

2) желательно использовать полный кадр, т.к. ROI увеличивает потребление на 20%.



2. Теплоотвод

        Открыл камеру. Оказалось, что там НЕТ теплового контакта толстого центрального штыря теплоотвода и матрицы. То есть весь радиатор не работает как радиатор. Может в более поздних версиях производитель устранит или уже устранил эту недоработку, которая резко уменьшает эффективность радиатора и всех присоединяемых снаружи охладителей, как это пытаются делать многие: http://stargazerslounge.com/topic/189137-peltier-cooled-zwo-asi-120-mc/.

        Сделал плоским торец штыря теплоотвода (на рис. 2 видно белое пятнышко, обозначено цифрой 1). Изготовил из дюраля цилиндрический переходник - деталь толщиной около 1 mm, чтоб обеспечить тепловой контакт матрицы и штыря. Толщину желательно мерить по месту, чтобы не выдавить матрицу при сборке. 


Fig.2. 1 – flat end surface of heat sink, 2 – Al heat sink adapter connector ~1 mm.

Собрал с использованием теплопроводящей пасты. Температура матрицы упала на 10 градусов: с 42°C до 32°C. Шумы уменьшились более чем в два раза.



3. Охлаждение

       Решение уменьшить шумы при минимуме проводов и исключить проблемы с запотеванием привели к решению сделать охлаждение до температуры на 1°C выше окружающей среды.

         Предварительная проверка показала, что эффективное охлаждение достигается уже с элементом Пельтье 20x20mm, поскольку потребляемая матрицей мощность невелика. Использование элементов с большими размерами неэффективно, поскольку дельта температур не увеличится, а отводить выделяемую мощность придется с помощью гораздо большего радиатора. Поскольку был в наличии только элемент 40x40 mm, то разрезал его алмазным отрезным кругом, но лучше купить готовый.

Fig.3. 1- Peltier Thermo-Electric Cooler 20x20 mm. 2 – copper heat sink adapter connector, 3 – body with attached heat sink 50x50 mm, 4 – step-down switching regulator 5V to 1.3V with LM2596S-ADJ.

Чтобы не портить оригинальный корпус, сделал копию из дюраля, но без центрального штыря теплоотвода. Внутрь корпуса 3 (см. рис.3 и 4) с прикрученным радиатором на термопасте ставится элемент 1. К нему на пасте ставится медный теплоотвод 2 широкой стороной. Он через пасту касается матрицы, а вес за счет проточки приходится на плату. Теплоизолировать ничего не надо, поскольку температура будет выше окружающей на 1-2°C. Для охлаждения до такой температуры нужен ток около 350 mA при напряжении 1,3V. Чтобы не увеличивать количество проводов, питание взято прямо с USB разъема камеры. Поскольку допустимый ток по USB составляет 0,5 A, то можно использовать для нужд охлаждения еще примерно 200 mA. От USB 5V с помощью преобразователя на LM2596S-ADJ - импульсного регулируемого стабилизатора напряжения 4 понижается до примерно 1,3V с увеличением тока. КПД преобразователя при таком низком выходном напряжении чуть больше 50%, но это дает возможность получить необходимые 350 mA. Чтобы ограничить ток, используется добавочное сопротивление 2,3 Ohm 5W. Оно подбирается, исходя из параметров используемого элемента. Для такой небольшой используемой на Пельтье мощности достаточно радиатора 50х50 mm, вентилятор вообще не нужен, рис.4. Преобразователь закреплен сбоку на радиаторе и закрыт алюминиевым кожухом. С другой стороны на радиаторе закреплены добавочное сопротивление и выключатель на ток до 3 A.


Fig.4. Inside and outward.

Проверка показала, что после включения охлаждения температура матрицы уменьшается до температуры на 1 градус выше окружающей среды за 3 мин. Например с 32 до 23°C при температуре в комнате 22°C. В дальнейшем она примерно за 10 – 15 мин повышается на 1 – 2 градуса и далее не меняется или падает, если наружная температура уменьшается.

Нужно учесть, что с элементом Пельтье пассивное отведение тепла будет хуже, чем без него.



4. Регулируемое охлаждение

        Минимизировать шумы матрицы и время на получение темновых кадров можно с помощью более мощного охлаждения и поддержания постоянной температуры. По паспорту камера может работать в диапазоне -5°C—45°C, хотя сенсор для ASI120MM MT9M034 может работать в диапазоне –20°C до +70°C. Для такого охлаждения требуется внешний блок питания 2-3А с напряжением до 6V. Чтобы уменьшить затраты времени и средств, использован готовый терморегулятор Termo 356 с красным LED индикатором. Он рассчитан на включение нагревательного устройства и обеспечивает измерение температуры с дискретностью 0,1°C. Схема немного дополнена и приведена на рис. 5.


Fig.5. Circuit.

Подключение термодатчика DS18B20 выполнено двумя проводами с учетом возможности работы без внешнего источника питания, только за счет паразитного питания однопроводной линии. Он клеится на плоскую часть медного теплоотвода, рис.6. 


Fig.6. Copper heat sink adapter connector with DS18B20.    Fig.7. Heat insulation ring.

Твердотельное реле (оптопара) LCA710 обеспечивает включение охлаждения при повышении температуры и гальваническую развязку от питания элемента Пельтье. Ключ сделан на полевом транзисторе APM2054N n-типа с нагрузочной способностью 10 A, который вырезан из сгоревшей материнской платы. Можно использовать и более мощные, которых много на платах возле процессора. Сопротивление 2 Ohm ограничивает ток емкости затвора через оптопару, но его можно и не ставить. 

Поскольку температура будет ниже окружающей среды, нужна хорошая теплоизоляция медного теплоотвода. Для этого на него одето кольцо, вырезанное из теплоизолирующей трубки, используемой для магистралей кондиционера, рис.7.

 Для уменьшения яркости свечения LED индикатора в цепь питания второго и третьего разряда (к первому не смог подобраться) впаял сопротивления 0,63k. Можно использовать и 1k. При необходимости индикатор закрывается синей пленкой. Радиатор использован тот же 50x50 mm. В связи с увеличением мощности необходимо использовать вентилятор. Он питается от 5V и работает на пониженных оборотах с потреблением не более 50 mA. 

За время усовершенствования камеры вышла новая версия FireCapture v.2.4. По-видимому, в ней реализован другой алгоритм работы, поскольку уменьшилось потребление и нагрев. Под управлением FireCapture v.2.4 даже при пассивном охлаждении, реализованному по п.2, достигается температура 27°C. До запуска программы захвата камера потребляет 45 mA. Во всех режимах съемки во время выдержки камера потребляет всего 67 mA, ток увеличивается только при считывании кадра. Схема управления охлаждением с индикатором потребляет 21 mA, вентилятор 47 mA. Общее потребление тока по USB для питания камеры, схемы регулировки и вентилятора составляет менее 150 mA.

Чтобы не было теплового удара при включении, на элемент Пельтье сначала для охлаждения подается питание 1,5V. Через 1-2 мин подается питание 4,5 или 6V. Использовать 3V нежелательно, поскольку полевой транзистор в этом случае не полностью открыт и сильно греется протекающим током. Выключение происходит в обратном порядке. На индикатор приклеены две кнопки для установки верхнего и нижнего порога срабатывания регулятора, внешний вид камеры в сборе приведен на рис.8: 1 – провода от блока питания, 2 – к элементу Пельтье, 3 – от термодатчика, 4- плата модуля Termo 356, 5 – плата с ключом на полевом транзисторе, 6 – полевой транзистор, 7 – оптопара, 8 – кнопки установки температуры.


Fig.8. 1 – from power supply, 2 – to Peltier, 3 – from DS18B20, 4 – Termo 356 module, 5 – regulator module, 6 – APM2054N, 7 – LCA710, 8 – buttons.

Использованные разъемы также выпаяны из материнской платы от вентиляторов. Термометр показывает температуру медного теплоотвода вблизи элемента Пельтье, что на 4,5°C ниже, чем на матрице. При токе 1,9 A после включения охлаждения температура на матрице падает с 31 до 5°C при температуре в комнате 23°C, рис.9. 


Fig.9. Thermogram, I=1,9A, FireCapture v.2.3.

Под управлением FireCapture v.2.4 уже при токе I=1,5A и напряжении 4,5V обеспечивается охлаждение от 26 до 2°C за те же 5 мин. При этом разница показаний термодатчика на теплоотводе и на матрице уменьшилась до 1 градуса. Инерционность регулятора за счет массы медного теплоотвода обеспечивает поддержание температуры с точностью ±0,4°C.

Среднее значение и среднеквадратическое отклонение на темновых кадрах уменьшаются вдвое при снижении температуры на каждые 7°C, как видно на рис.10 (в 16-битном представлении в диапазоне 0-65536).


Fig.10. Mean and Std.Deviation depending on temperature.

        Для сравнения приведены по одной четверти темновых кадров при температуре 1 и 27°C, выдержка 15 с, усиление 50, рис.11a и 11б, соответственно.


T=1°C


T=27°C

Fig.11. Crop of dark frame at T=1°C and T=27°C. Exp 15 s, gain 50.

        Для предотвращения выпадения конденсата входное отверстие камеры заклеил просветленным стеклом. Все щели по возможности загерметизированы. Внутрь камеры насыпан силикагель. Поскольку в первых версиях камеры без защитного стекла матрица окружена резиновой прокладкой, то силикагель и пыль от него не попадает на входное окно матрицы. 

        Заметил, что при включении блока питания идет помеха, которая вызывает зависание программы управления монтировкой, поэтому необходимо включать блок питания для охлаждения заранее.


Филатов Александр.