Jäähdytyksen rakentaminen ccd-kameraan

Runsaan vuoden kokemuksen jälkeen päädyin rakentamaan web-kameran ccd-kennoon jäähdytyksen. Käyttämässäni Philips ToUcam pro -web kamerassa oli jo muunnos, joka mahdollistaa pitkät valotusajat teoriassa vaikka kuinka pitkään, jopa tunteihin.
Mietin pitkään kannattaako toinen muunnostyö, mutta nyt se on tehty. Lopputulos näkyy oheisesta kuvasta. Rakensin Suomen olosuhteita varten ns. passiivijäähdytyksen, joka ainakin teknisesti näyttäisi toimivan.  Rakennelmaan on myöhemmin helppo lisätä esim. prosessorituuletin lisäämään jäähdytystehoa.

Kuvan filosofiaa

Käytäntö nimittäin osoitti, että tavallisella ccd-kennolla pääsee korkeintaan 45-120 sekunnin valotusaikoihin, hieman ulkoilman lämpötilasta riippuen. Tiettyjen syvän taivaan kohteiden kuvauksessa tämä ei riitä, vaikka uskomattoman pitkälle näillä valotusajoilla pääsee filmiin verrattuna. Vielä pitemmillä valotusajoilla kennon oma kohina alkaa häiritä kuvausta. Kohinaa voi vähentää alentamalla ccd-kennon lämpötilaa, mieluiten selvästi alle nolla-asteen. Alentamalla kennon lämpötila alle -10C pitäisi olla mahdollista saavuttaa jopa useiden kymmenien minuuttien valotusaikoja ilman häiritsevää kohinaa. Verkossa on paljon ohjeita, joissa neuvotaan tekemään kyseinen muunnos tähtivalokuvauskäyttöön muutetulle web-kameralle, ks. esim. Ashley Roeckelinin erinomaisia sivuja:
http://astro.ai-software.com/
Nämä ohjeet ovat kuitenkin amerikkalaiselta tähtiharrastajalta, joka asuu Arizonassa. Siellä on huomattavasti lämpimämpää kuin Suomessa, missä havaintokauden aikana luonto normaalisti hoitaa jäähdytyksen. Lokakuusta maaliskuulle on yleensä yöllä aina lämpötila pakkasen puolella, joten luonto jäähdyttää kameran ccd-kennoa. Oikeastaan Suomessa vain elo-syyskuu sekä huhti-toukokuu ovat niin lämpimiä, että digitaalikameran ccd-kennon jäähdytys on tarpeen.

Miksi digipokkarikamerat eivät sovellu tähtikuvaukseen?

Vastaus löytyy, kun tutkii markkinoilla olevien digitaalikameroiden ominaisuuksia eli spesifikaatioita. Pokkarikameroissa valotusajat ulottuvat kalleimmissakin malleissa vain alueelle 1 - 1/2000 sek., monissa malleissa pisin valotusaika on 1/25 sek. luokkaa. Joillakin harvoilla pokkarikameroilla pääsee parin sekunnin tai jopa 15-30 sekunnin valotusaikoihin. Useimmissa pokkarikameroissa automatiikka estää näin pitkät valotusajat tai automatiikka pakkokytkee salaman päälle, tai tekee tähtivalokuvauksen kannalta jotain vielä haitallisempaa - mitä japanilaisen tai korealaisen suunnitteluinsinöörin päähän on milloinkin mahtanut pälkähtää. Missään kiinteäobjektiivisessa digikamerassa ei ole tähtivalokuvauksessa täysin välttämätöntä B-valotusaikaa, jonka avulla filmiä tai ccd-kennoa voisi valottaa niin kauan kuin suljinta pitää auki (paitsi Nikon Coolpix 4500). Neljän vuoden kokemukseni filmi- ja ccd-tähtivalokuvauksesta osoittaa, että ccd on toki selvästi herkempi kuin filmi, mutta raja on vastassa myös ccd:n herkkyydellä. Käytännössä ilman jäähdytystä ccd:llä pääsee 45-120 sekunnin valotusaikoihin, mikä vastaa 400ASA filmillä 3-8 minuutin valotusaikoja. Näin saa aika hienosti esiin avonaisia ja pallomaisia tähtijoukkoja, mutta galaksien ja planetaaristen sumujen kuvauksessa jäähdyttämättömän ccd-kameran suorituskyky ei useinkaan riitä. Philips ToUcam pro-web kameralla valotusajat ovat alle kolmas- tai neljäsosa herkimpien filmien vaatimista valotusajoista. Noin 60-90 sekunnin jälkeen alkaa ccd-kennon ja esivahvistimen kohina nousta esiin pilaten etenkin syvän taivaan kohteiden kuvaamisen. Ongelma voidaan ratkaista alentamalla ccd-kennon lämpötilaa, mikä on kaupallisesti liian monimutkainen toimenpide. Tarvitsijoiden määrä on valosaasteisessa maailmassamme aivan liian pieni - siksi lähes kaikista digitaalisista pokkarikameroista puuttuu B-valotusaika. Pisimmät japanilaisen ja korealaisen suunnitteluinsinöörien sallimat valotusajat ovat 15-60 sekunnin luokkaa. B-valotusaikaa ei digipokkareihin laiteta, koska insinöörit tietävät kohinaongelman. He eivät siis ole tyhmiä, vaan suunnittelevat kamerat tavallisia kotikuvaajia varten, eivät extreme-harrastajille, kuten tähtivalokuvaajille. Mielenkiintoinen kysymys on: miksi digijärkkäreissä, kuten Olympus E1, Canon 300D, Nikon D2H tai Pentax iX on B-valotusaika? Kameratehtaiden täytyy tietää, että viimeistään 30-60 sekunnin kohdalla kohina alkaa häiritä kuvaamista samaan tapaan kuin filmin rakeisuus. Ehkä digijärkkäreitä myydään ammattilaisiille tai puoliammattilaisille, jotka ovat tottuneet äärettömään B-valotusaikaan, ja ehkä siksi heitä täytyy miellyttää? Tai sitten näissä kalliimmissa kameroissa on laadukkaita ccd/coms-kennoja, joiden kohina ei häiritsevästi lisäänny pitkillä valotusajoilla. Digitaalisten järjestelmäkameroiden vaihtoehtona ovat tietenkin ammattilais- tai puoliammattilaiset tähtivalokuvauskamerat, joissa on ccd-kennon jäähdytys. Niillä voi taivaan kohteita valottaa vaikka tuntikausia.  Hintatasosta löytyy tietoja osoitteista

http://www.starlight-xpress.co.uk/ 
http://www.sbig.com/

Pienikin silmäys hintoihin osoittaa, että web-kameran kehittely ja muuntelu on taloudellisesti hyvin edullista. Halvimmatkin jäähdytetyt tähtivalokuvauskamerat ovat digijärkkäreiden tasolla, tai usein moninkertaisia hinnoiltaan, ja silloin joutuu miettimään ostaako englantilainen tähtikamera vai digitaalinen järjestelmäkamera.
Seuraavat ohjeet koskevat Philipsin web-kameroita Vesta, Vesta Pro ja ToUCam Pro 740, joista viimeksi mainittu on paras tähtikuvaukseen. Siinä on kaikista web-kameroista herkin ccd-kenno. Eräissä digikameroissa käytetyt cmos-kennot eivät ole yhtä valoherkkiä kuin ccd-kennot, eivätkä siksi sovellu yhtä hyvin tähtikuvaukseen.  Syksyllä 2003 Philips yllättäen  lopetti sekä ToUcamin että Vestan valmistuksen. Niitä löytynee vielä jonkin aikaa tietokonekauppojen hyllyiltä.  Tilalle tulleissa 840-malleissa on ollut suunnilleen sama piirikortti ja ccd-kenno, joten ne näyttäisivät soveltuvan tähtivalokuvaukseen, joskin välttämättömät muutostyöt voivat olla hieman erilaisia.  Web-kameran mukana tuleva ccd-kenno on joka tapauksessa toistaiseksi ollut harrastajalle ainoa keino hankkia ccd-kenno.  Kennoja nimittäin ei myydä tavallisille kuluttajille elektroniikkaliikkeiden hyllytavarana, valitettavasti.

Tarvikkeet

Päätin siis rakentaa Philips ToUcam Pro 740 -web-kameraan ccd-kennon jäähdytyksen mahdollisimman pitkiä valotusaikoja varten. Samaa kameraa oli jo aikaisemmin muunneltu. Uusi muunnostyö ei ole ihan helppo, mutta se on mahdollinen, jos peukalo ei ole ihan keskellä kämmentä. Kolvin pitää pysyä tarkasti kädessä. Oheinen kuva esittää mitä tarvikkeita tähän muutostyöhön tarvittiin: 1. Juotosteline, mieluiten suurennuslasilla varustettu. Näitä myy mm. Biltema.  2. Peltier-elementti, jolla on se ominaisuus, että elementin toinen puoli jäähtyy ja toinen puoli lämpenee, kun siihen johdetaan virtaa. Kuvassa elementin johtoihin on jo kolvattu sopiva töpseli.  3. Alumiinilevyä. Huom! Ei kannata ostaa alumiinipeltiä, sen alumiinipitoisuus on liian vähäinen. Esim. pieni alumiininen kulmapala on parempi, siitä voi rautasahalla sahata ccd-kennon kokoisen palan. Alumiini johtaa hyvin lämpöä ja on kevyt, ja tässä sitä tarvitaan vain muutaman cm² verran. Rautakaupan sedälle tuotti hinnoitteluvaikeuksia näin pieni pala (muistaakseni laskutti 20c). 4. Tietokoneen jäähdytyssiili, suunnilleen Peltier-elementin kokoinen. Näitä saa alan liikkeistä - voi sahata sopivaksi rautasahalla, jos ei ole tarpeeksi pieniä. Kannattaa etsiä mahdollisimman kevyt. 5. Tietokoneen verkkolaite, tai vastaava. Peltier on aika sähköahmatti ja vaatii ainakin 5-15 Wattia virtaa. Halpisverkkolaitteet eivät siis riitä. 6. Verkkojohto. (7. Prosessorituuletin, jos haluat samalla lisätä laitteen jäähdytystehoa.  Lisäksi tarvitaan 2-komponenttiliima Arctic silver thermal adhesive, kaksi erillistä tuubia).

Tarvikkeiden hinta yhteensä on  noin 45€.

Ensin voi kokeilla Suomen oloihin sovellettua passiivista jäähdytystä. Siinä ei ole jäähdytyssiilissä tuuletinta, kuten Steve Chambers ja Ashley Roeckelein ehdottavat, ks. 
http://astro.ai-software.com/ ja
http://www.pmdo.com/wintro.htm
Oletin ensin ettei tuuletinta tarvita Arizonan tapaan, koska Suomessa on kylmempää ja jäähdytyssiili riittää pitämään kennon lämpötilan riittävän alhaisena. Kuvaamaani laitteistoon on kuitenkin helppo saman muutostyön yhteydessä tai myöhemmin lisätä tuuletin, jos ja kun katsoo sen aiheelliseksi. Tuskin sitä -10 asteen pakkasella ainakaan tarvitaan, mutta elo-syys- ja huhti-toukokuussa sillä näyttäisi Suomessa olevan käyttöä. Olen utelias kuulemaan kommentteja aiheesta. Rakentelijat, ottakaa yhteyttä, osoite alla.

Toimintaa, vaihe 2

Ennen toimia kannattaa tutkia peltier-elementin napaisuus. Elementtiin syötetään tasavirtaa ja kädellä tunnustelemalla kokeillaan kumpi puoli jäähtyy ja kumpi lämpenee. Puolet voi merkitä tussilla. Kylmä puoli tulee ccd-kennon puolelle ja lämpenevä puoli liimataan jäähdytyssiiliin. Peltier on tehokas ja sen jäähdytysteho suuri, esim. 5W teholla vain muutamassa sekunnissa tuntee eron. Sitten web-kameran kotelo avataan. Kahden muovilevyn väliin puristetussa versiossa piirikortti poistetaan kotelostaan ja ylempi muovilevy menee roskapönttöön. Sen tilalle leikataan mieluiten vähän aiempaa paksummasta pakastemuovista oheisen kuvan mukainen, hieman H-kirjaimen muotoinen muovi. Sen keskelle leikataan esim. puukolla tai lehtisahalla ToUcamin ccd-kennoa hiukan isompi aukko ja alareunaan hieman H-kirjaimen alaosan muotoinen aukko ToUcamin muutamia ulospäin sojottavia komponentteja varten. Tähän yläosaltaan vajaan H-kirjaimen muotoiseen muoviin tehdään kuvan mukaiset ruuvinreiät, joiden tulisi olla täsmälleen okulaarin puoleisen muovin kohdalla. Muovisen elektroniikkarakentelurasian kääntöpuolelle sahataan samoin joko lehtisahalla tai puukolla tietokoneen jäähdytyssiilin kokoinen aukko. Varovaisuutta, ja käden taitoa tässä vaiheessa. Kokeilut vievät aikaa.  Onneksi muovi ei maksa paljon.

Erikoisliima: "Arctic silver thermal adhesive"

Seuraavassa vaiheessa tarvitaan noin ccd-kennon kokoinen alumiinilevy sekä 2-komponenttiliimaa, jota tietokoneharrastajat käyttävät viritellessään tietokoneisiin maksimaalisia prosessoritehoja. He käyttävät ns. arctic silver thermal adhesive -liimaa (kuvan tuubit 1 ja 2). Sen avulla lisätään prosessorituulettimissa olevien jäähdytyselementtien jäähdytystehoa ja siis kompensoidaan prosessoritehon sekä lämpötilan nousua. Kyseessä on hopeasekoitteinen 2-komponenttiliima, joka johtaa tehokkaasti sekä lämpöä että sähköä. Sitä saa nörttien ja atk-harrastajen suosimista erikoisliikkeistä.  Tässä tapauksessa ccd-kenno, peltier-elementti ja jäähdytyssiili liimataan arctic silver thermal adhesive -liimalla niin lujasti kiinni, etteivät komponentit irtoa toisistaan. Erityisesti iso jäähdytyssiili edellyttää lujaa liimaa pysyäkseen sekä pienessä alumiinilevyssä että ccd-kennossa. Vajaan H:n muotoinen muovi ruuvataan paikoilleen (ks. kuvat vieressä ja alla). Sitten ccd:n kääntöpuolelle sivellään arctic silver thermal adhesive -liimaa ja suunnilleen ccd:n kokoinen alumiinilevy liimataan väliin. Välittömästi tämän jälkeen alumiinilevyn yläpuoli sivellään samalla arctic silver thermal adhesive -liimalla ja päälle asetetaan peltier-elementti, ja sen päälle edelleen jäähdytyssiili. Koko rakennelma tuetaan huolellisesti ja arctic silver thermal adhesive -liima jätetään kuivumaan. Erittäin kriittinen on jäähdytyssiili, joka on painavampi ja isompi kuin ccd-kenno. Se edellyttää liiman kovettumisvaiheessa tarkkaa tasapainotusta ja tukea, jotta kokonaisuus tähtikuvauksessa kestäisi niin taivaanrannassa kuin zeniitissä olevien kohteiden kuvauksen. Kokemukseni mukaan on syytä odottaa ainakin 12 tuntia, vaikka liimalle luvataan lyhyempiäkin kovettumisaikoja. Rakennelma on esitetty alemmassa kuvassa, jossa johdotuksia lukuun ottamatta on esitetty sivusta katsoen toteutus. Se perustuu siis kahden muovilevyn väliin puristettuun piirikorttiin, jossa on molemmin puolin aukot ccd-kennon kohdalla. Okulaarin puolella on aukko kaukoputkea varten ja toisella puolella aukko peltier-elementtiä ja jäähdytystä varten. Peltier-elementtiä ei voi kiinnittää suoraan ccd:n kääntöpuolelle - väliin tarvitaan pieni alumiinilevy. Peltier on näet kooltaan selvästi ccd:tä suurempi. Vain ccd tarvitsee jäähdytyksen, eivät muut Philipsin piirikortilla olevat komponentit. Siksi muovilevyssä 1 on syytä olla vain ccd:n kokoinen aukko. Peltierin tuottama kylmyys johdetaan alumiinipalan avulla ccd-kennoon, tai tarkasti ottaen lämpö johdetaan pois ccd-kennosta peltierin kautta jäähdytyssiiliin.

Lopputulos - no joo ... lisää pitää saada

Seuraavana päivänä, kun arctic silver thermal adhesive -liima on kovettunut, rakentelurasiaan tehdään pieni kolo sähköjohtoa varten ja juotetaan peltier-elementtiin sopiva töpseli, ellei sitä ole aiemmin tehty. Sitten elektroniikkarakentelurasia suljetaan. Jos kaikki on mennyt oikein, lopputuloksena on suunnilleen entisen näköinen, mutta valotusajoiltaan pidennetyn web-kameran näköinen laite (ks. sivun ylin kuva).  Kameran takapaneelissa on reikä, josta jäähdytyssiili törröttää. Sen päällä on prosessorituuletin, jos olet päättänyt saavuttaa maksimaalisen jäähdytystehon.  Merkittäviä muutoksia on kaksi. Laitteen paino on lisääntynyt. Kuvassa näkyvä jäähdytyselementti nimenomaan painaa jonkin verran. Rakennelman suunnittelussa kannattaa siksi miettiä, että kamera-kaukoputki-yhdistelmää käännellään mitä erikoisimpiin asentoihin zeniitin ja horisontin välillä. Komponentteja valitessa kannattaa siis etsiä mahdollisimman kevyt jäähdytyssilli. Kokeet osoittavat, että laitteisto ainakin toimii, kuten kynttilänvalossa otettu kuva osoittaa.
Tätä kirjoitettaessa on helmikuun loppu 2004. Kohta kolme kuukautta on ollut sumuista, pilvistä ja sateista. Siksi olen päässyt testaamaan jäähdytyksen tehoa vain muutaman kerran. Merkittävä muutos tuntuu olevan se, että kaukoputken ympärillä on jäähdytystä käytettäessä melkoinen sähköjohtojen sekamelska. Kaukoputken seuranta (Tal-200K) tarvitsee virran, ja sen verkkolaitteeseen liittyy ohjauslaite. Web-kamera edellyttää toimiakseen verkkovirtaa, minkä se saa usb-kaapelin kautta salkkumikrosta.  Salkkumikro puolestaan tahtoo oman verkkovirtansa, sillä etenkin kylmässä sen akku hyytyy helposti. Web-kameran jäähdytys vaatii näiden lisäksi tietokoneen verkkolaitteen tai vastaavan virtalähteen...  Lopputuloksena on johtojen sekamelska, jonka yli kävellessä on syytä olla varovainen. Tässä mylläkässä pitäisi sitten havaita kohteita. Oma lukunsa on tarkentaminen. Kun kohteen on saanut esiin, on vuorossa tarkentaminen valokuvausta varten. Tämä on ehkä kaikkein vaikein vaihe johtosekamelskan keskellä. 
Tulenkin johtopäätökseen, mikä pitkään alaa harrastaneille lienee tuttu. Pitäisi olla kaksi kaukoputkea: toinen havainnointia ja toinen valokuvausta varten.

Entä tuuletus?

Oletin siis aluksi, että Suomen oloissa peltier-elementillä ja jäähdytyssiilillä varustettu järjestelmä ei tarvitse tuuletusta.  Muutin osittain kantaani, kun poikani kanssa mittasimme jäähdytystehoa.  Kytkimme virran jäähdytyselementtiin ja mittasimme ccd-kennon pinnan lämpötilan.  Tulos oli se, että ilman tuuletinta huoneenlämmössä jäähdytysteho oli noin viiden asteen luokkaa.  Se riittää ehkä joissain tapauksissa, mutta useimmiten ei.  Käytännössä näyttäisi siltä, että myös Suomen oloissa peltier-elementti tarvitsee tuulettimen.  Sen avulla peltierin toisen puolen tuottama lämmin ilma johdetaan pois ja jäähdytysteho paranee huomattavasti.  Tämän pitäisi riittää Suomessa toukokuun alun ja elokuun lämpimillä ilmoilla, jolloin esim. ds-havainnointi on mahdollista.
Peltierin tuulettamiseen riittää erinomaisesti tietokoneen prosessorituuletin, jollaisia saa halvalla alan liikkeistä.  Laite on aivan helppo kiinnittää jäähdytyssiiliin.  Virta voidaan ottaa samasta virtalähteestä, josta peltier saa energiansa.  Oheinen kuva näyttää millaisesta kokoelmasta on kyse.

Jos sinulla on kysyttävää tai kommentoitavaa, laita postia minulle: jmantyla@kaapeli.fi
Olen kiinnostunut vaihtamaan sähköposteja muiden tähtivalokuvaharrastajien kanssa. 

-19.2.2004-

[Etusivulle | takaisin hakemistoon]