Nikon D5100ac (Astrocool)

[Kuulapaa]

Veri vetää rakentamaan. Mutta kurja niitä on pelkästään itseä varten tehdä ja kun kameroita on jo enemmän kuin tarpeeksi niin ajattelin luoda tämän ketjun, jossa rohkaisen ja annan apua edullisen Nikon D5100 kameran aktiivijäähdyksen rakentamisessa. Kamerasta poistetaan myös IR/AA filtterit, jolloin se alkaa firmware modausten kautta muistuttaa enemmän jäähdytettyä CMOS-kennoista RGB tähtikameraa. Viittaan kevyesti ASI1600:n suuntaan ;)

Ajattelin alunperin Canonin 550D/600D kameraa tähän projektiin, mutta päädyin Nikoniin kokemuksen, Exmor kennon ja suoraviivaisemman rakenteen vuoksi. D5100:n olemasssa oleva jäähdytyselementti on myös kuin tehty ottamaan vastaan kuparinen lämpösilta. Kameran sisäinen tila myös mahdollistaa paksumman kuparin käytön, jolloin lämmönsiirto on tehokkaampaa. 550/600D kameroissa täytyy askarrella suhteellisen monimutkaisia kiinnikkeitä, joten keskitytään tässä D5100:aan.


D5100 kennon taustan jäädytyselementistä (550D vasemmalla ja D5100 oikealla) on tehtaalla koneistettu pois kuvassa näkyvä alimmainen alumiiniharjanne, jolloin jäähdytys elementin taakse muodostuu mukava lokero jäähdytysillan levylle. Materiaalina suosittelen käyttämään max 1,5mm puhasta kuparilevyä. Paksummalla levyllä kennon päälle tuleva piirilevy jää kantamaan ja väliin mahtuu vähemmän eristettä. Laitan mallin levystä mittoineen saataville tässä jossain vaiheessa niin halukkaiden ei tarvitse keksiä pyörää uudestaan.

Jäähdytyssillan kiinnitus on hyvin yksinkertainen. Se liimataan lämpöä johtavalla epoksilla kennon jäähdytyselementtiin kiinni:

Kuparilevyn tausta ja myös kennon etuosan komponentit on hyvä suojata mahdolliselta kondensiokosteudelta butyylikumimaalilla. Suosittelen käyttämään mattamustaa spraypullossa tulevaa kumimaalia, jota saa mm rautakaupoista. Sumuta ensin johonkin kuppiin ja anna maalin ponneaineen kuplia pois. Sitten vain pensselillä maalaamaan pinnat. Itse olen maalannut myös kennon puolella olevat liitinjalat.

Jatkoa seuraa mm. rungon leikkausten ja peltier jäähdytyksen tekemisessä. Kameran voi toki jättää myös passiiviksi ja Suomen pakkasissa jäähtyminen on hyvin tehokasta jo näin.

Nyt vaan halukkaat etsimään edullisia D5100 kameroita ja 1,5mm kuparilevyjä. 50x200mm pala riittää oikein hyvin ja vähän jää ylikin EDIT: Tarkka riittävä koko on 120x50mm. Ebay.de on yksi hyvä lähde hakusanat "kupfer platte 1,5mm", jostain syystä erikseen kirjoitettuna, antaa eniten osumia.

Ai niin, tykkään nimetä näitä tietyn kaavan mukaan ja tämän designin nimi on Nikon D5100ac (Astrocool) ;)

[wm-x]

Iso kiitos kuulapäälle tiedon jakamisesta. Minä ainakin ilmottaudun tälle kurssille mukaan . Olen jo tuon ir/aa filtterin kuulapään ohjeistuksella poistanut, joten ainakin kameran avaaminen on tuttua. Laitetaanhan kuparilevyä tilaukseen. Taidan soittaa muutaman pc korjaajan läpi jos heillä sattuisi olemaan tälläistä levyä, ebay tilauksia kun joutuu aina odottelemaan.(ei välttämättä saksasta)

[Kuulapaa]

Aikaisemmassa modissa käytin hitsin tarkkaa ja samalla kallista lämpötila-anturia, mutta sittemmin olen huomannut sen turhaksi.

Tässä modissa suosittelen käyttämään Phobyan 10kOhm litteää CPU lämpöanturia. Se reagoi nopeasti muutokseen pienen massansa ansiosta ja on aivan riittävän tarkka tähän hommaan. Sitä paitsi sen saa melkein työnnettyä kennon alle (ainakin osittain se menee), joten mittaus antaa kennon oikean lämpötilan.

http://www.jimms.fi/fi/Product/Show/76530/at71005/phobya-lampotila-anturi-2-pin-liuska-10kohm

Ps. Digicamera.netissä on jollekin sopiva modauskappale:
http://www.digicamera.net/keskus/viewtopic.php?t=12741815

[VP]

Hieno projekti, millaista jäähdytystehoa tällä rakentamallasi on mahdollista saada? Paljonko se syö virtaa?

-V

[Kuulapaa]

Koska modi eroaa oikeasta tähtikamerasta vaillinaiselta eristykseltään niin päätarkoitus on saavuttaa riittävä jäähdytysteho.

Kennon pimeävirta painuu 0,005 e-/s tuntumaan kun lämpötila on nolla astetta C tai vähän alle. ISO-herkkyydellä 320 mitattu lukukohina on siinä 2,6e- luokkaa ja gain 0,9 e-/ADU. Tällä jäähdytysteholla päästään teoriassa jo yli 20 min yhtäjaksoisiin valotuksiin ennen kuin pimeävirta alkaa peittää lukukohinaa. Käytännössä värikennolla kuvattaessa pimeävirta ei koskaan nouse merkittäväksi ja taivaalta tulee aina riittävästi hajavaloa dominoimaan kennon kohinan. Suomeksi sanottuna jäähdytyksen kanssa ei kannata vetää yli.


https://landingfield.wordpress.com/2014/06/07/imx071-characteristics-2/

Olen käyttänyt 6A peltieriä TEC-12706, mutta normaali käyttöteho on siinä 1A tienoilla tai alle. Tällä yleensä päästään sellainen 10 astetta ympäristön alle, eristyksestä riippuen. Kovalla pakkasella jäähdytystä ei käytännössä tarvitse käyttää, passiivinen lämmönsiirto riittää. Huomionarvoista on myös se, että jäähdyttämättömänä kameran sisäinen lämpötila on elektroniikan lämmittämänä noin 13 astetta ympäristön lämpötilaa korkeampi. Eli 10 asteen ulkolämpötilassa kennon lämpötila on 23 astetta. Jäähdytyksellä se vastaavasti saadaan painettua nollaan.

Toki jäähdytystä voi huudattaa täysillä esim syksyn kosteilla ilmoilla, mutta en suosittele sitä kondension välttämiseksi. Samasta syystä olen varotoimena pitänyt jäähdytyksen päällä koko kuvaussession ajan enkä ole päästänyt kameraa lämpenemään välissä.

[Kuulapaa]

Tässä jäähdytyslevyn mitat. Se on vähän quick n dirty piirretty, mutta sen pitäisi printtautua 1:1 kokoon.
Tehkää kuitenkin ensin templaatti esim pahvista ja mallatkaa että se sopii ennen kuin lähdette työstämään kuparia.

Jäähdytyslevy

Kuvassa ylhäällä on kennoon kiinnittyvä ja alhaalla kamerasta ulostuleva osa. Jälkimmäisen muodolla ja leveydellä ei ole niinkään merkitystä ja sitä voi kaventaa tai lyhentää tarpeen mukaan.

Tässä jäähdytetystä kamerasta 5 asteen kennolämpötilassa mitattuja arvoja:
Camera: Nikon D5100ac - Firmware modified
ISO speed: 320
Image Size: 4948 x 3280
Bias frames exposure time: 1/4000 sec
Flat frames exposure time: 1/400 sec
Dark frames exposure time: 599.6 sec
Gain per channel(e/ADU):   [ 0.886, 0.901, 0.903, 0.897 ]
ISO for unit gain:         [ 284, 288, 289, 287 ]
Read Noise(e):             [ 2.53, 2.55, 2.58, 2.55 ]
Dark Current (e/pixel/sec) [ 0.0099, 0.0141, 0.0095, 0.0097 ]
Dark Current (e/pixel/sec) [ 0.0113, 0.0069, 0.007, 0.0077 ]

Noise estimates for 600sec exposure
Read Noise(e):             [ 2.53, 2.55, 2.58, 2.55 ]
Thermal Noise(e):          [ 2.6, 2.03, 2.05, 2.15 ]

[Kuulapaa]

Ylläolevassa järkkärikuvassa näkyy lämpötila-anturin johto lämpösillan oikealla puolella. Kuvasta huolimatta se kannattaa asentaa enemmän vaakasuoraan oikealle, jolloin johto ei kirraa kameran rungon kanssa.

Pelkkä anturi ei tietenkään auta paljoakaan, joten se kannattaa kytkeä 12V jännitteellä toimivaan LCD LED näyttölliseen lukijaa, suomeksi sanottuna lämpömittariin, esim tähän:
http://www.ebay.com/itm/141392996147
Jos valitsette sinisen värin niin varmistakaa että se käyttää 10kOhm anturia.

[wm-x]

Osaisikohan tietokone lukea tuota anturia ja samalla säätää kameran mämpötilaa sen mukaan?

[Kuulapaa]

Osaisikohan tietokone lukea tuota anturia ja samalla säätää kameran mämpötilaa sen mukaan?

Arduino-pohjainen ratkaisu voisi olla yksinkertaisin. Mikään ei tietysti estä tekemästä vaikka millaista koodia lämpötilan ohjaukseen. Peltier-ohjauksen suhteen on syytä muistaa, että lämpötila mitataan lämpösillan päästä, jolloin liian nopea regulointiluuppi johtaa tehopoukkoiluun.

Mutta siitä Arduinosta. Joskus testailin tässä esitettyä jälkimmäistä kytkentätapaa:
https://learn.adafruit.com/thermistor/using-a-thermistor
Anturin absoluuttisella tarkkuudella ei ole niinkään välilä, vaan sillä että mittaustapahtuma on riittävän toistettava.

Tässä mukailtuna harjoituskoodi yllä olevan linkin takaa. Demossa on oikeaan regulointiin tarpeettoman lyhyt viive (100ms).

// which analog pin to connect
    // which analog pin to connect
    #define THERMISTORPIN A0         
    // resistance at 25 degrees C
    #define THERMISTORNOMINAL 10000     
    // temp. for nominal resistance (almost always 25 C)
    #define TEMPERATURENOMINAL 25   
    // how many samples to take and average, more takes longer
    // but is more 'smooth'
    #define NUMSAMPLES 5
    // The beta coefficient of the thermistor (usually 3000-4000)
    #define BCOEFFICIENT 3950
    // the value of the 'other' resistor
    #define SERIESRESISTOR 10000   
     
    int samples[NUMSAMPLES];
     
    void setup(void) {
      Serial.begin(9600);
      analogReference(EXTERNAL);
    }
     
    void loop(void) {
      uint8_t i;
      float average;
     
      // take N samples in a row, with a slight delay
      for (i=0; i< NUMSAMPLES; i++) {
       samples = analogRead(THERMISTORPIN);
       delay(10);
      }
     
      // average all the samples out
      average = 0;
      for (i=0; i< NUMSAMPLES; i++) {
         average += samples;
      }
      average /= NUMSAMPLES;
     
      // Serial.print("Average analog reading ");
      // Serial.println(average);
     
      // convert the value to resistance
      average = 1023 / average - 1;
      average = SERIESRESISTOR / average;
      // Serial.print("Thermistor resistance ");
     // Serial.println(average);
     
      float steinhart;
      steinhart = average / THERMISTORNOMINAL;     // (R/Ro)
      steinhart = log(steinhart);                  // ln(R/Ro)
      steinhart /= BCOEFFICIENT;                   // 1/B * ln(R/Ro)
      steinhart += 1.0 / (TEMPERATURENOMINAL + 273.15); // + (1/To)
      steinhart = 1.0 / steinhart;                 // Invert
      steinhart -= 273.15;                         // convert to C
     
      Serial.print("Temperature ");
      Serial.print(steinhart);
      Serial.println(" *C");
     
      delay(100);
    }

[Kuulapaa]

Tein testiä rakennettavalle kameralle hieman sopivammilla ISO400/300s darkeilla, sillä joskus aikaisemmin tekemäni kuvaaja ISO1600/10min on ehkä hieman rajuhko värikuvaukseen. No, sama käyrän muoto siinäkin toistuu. Kohinan voi jakaa kennon lämpötilan mukaan suurpiirteisesti kolmeen osaan: Korkea: >19°C, kohtuullisen matala 2°C - 19°C ja matala <2°C.

Tämä mittauksen perusteella kohina pienenee vielä -5°C jälkeenkin, mutta saanto niin sanotusti vähenee, eikä matalampien lämpötilojen tavoittelu ole nähdäkseni hyödyllistä.

Kamera firmware modattu, True raw/dark current. Lämpötila mitattu sensorin rungosta ja darkkien kohina mitattu Pixinsight Noise analysis työkalulla.

Erillinen huomio: ISO400 kohina on lähtökohtaisesti todella matala tällä herkkyydellä ja valotusajalla.
EDIT: Kuvaajassa oli virhe 13 asteen kohdilla ja pari turhan lähellä toisiaan olevaa mittauspistettä. Korjattu.

[wm-x]

Laitoin 1.5mm 100x200 levyn tilaukseen. Eli jos joku muu on innokas tätä tekemään niin minulla on ylimääräinen kappale.

Muistan että joskus mittasit kennon lämpötiloja pakkasessa. Muistatko mikä oli pakkasraja ettei kennon lämpötila noussut yli tuon 2 asteen? (Niissä mittauksissa varmaan passiivinen jäähdytys oli, kun olet pystynyt kennon lämpötilaa mittaamaan).

[Kuulapaa]

Se oli muistaakseni tehty suhteellisen modaamattomalla kameralla, eli ei siis mitään ylimääräisiä reikiä rungossa tms. Joskin kennon edestä puuttuivat IR/AA filtterit ja rungossa ei ollut optiikkaa kiinni, jolloin epäilen kennon säteilevän lämpöä runkotulpan läpi hieman tehokkaammin.

Joka tapauksessa, mittausten perusteella normaalin järkkärin (D5100 tässä tapauksessa) kennon lämpötila on noin 13-15C astetta silloin kun ympäristön lämpötila on 0C. Kameran sisäinen lämmöntuotto on matala ja kennon lämpötila laskee suhteellisesti enemmän kun mennään kylmempiin lämpötiloihin. Toistin mittauksen myöhemmin ja sain hieman erilaisen tuloksen kuin aikaisemmin, mutta epäilisin kennon lämpötilan olevan siinä nollan tuntumassa silloin kun ympäristössä on pakkasta -10C ja kamera on ehtinyt jäähtyä tarpeeksi ennen kuvauksen aloittamista.

Passiivinen lämpösilta riittää kun on tarpeeksi kylmä, mutta parin asteen pakkasessa aktiivijäähdytys on suositeltava. Lähinnä siksi, että kennon lämpötila pysyy kuvaussession alusta lähtien vakaana ja vakaa tila saavutetaan nopeammin ilman parin tunnin jäähdyttelyä.

Disklaimeri: Tämä on aikamoista hifistelyä ja homman järkevyyttä voi perustellusti kyseenalaistaa valmiiksi jäähdytetyn kameran, kuten ASI1600:n perusteella. Mutta kyse on myös rakentelusta ja siitä miten pitkälle edullisella pikkujärkkärillä voi päästä.

[wm-x]

Saatu hyöty on kuitenkin ilmeinen varsinkin syksyllä/keväällä kuvatessa. Tämähän on mukavaa puuhastelua ja osa harrastusta. Ei sitä kannata yrittää järkeillä sen enempää.

[Kuulapaa]

Eteenpäin ja pari sanaa peltier-elementeistä.

Olen testaillut sekä laadukkaampia (>20€ kpl) ja edullisempia kiinalaisia (<5€ kpl) peltiereitä. Heti alkuun on sanottava, että laadusta saa maksaa hieman enemmän ja ne ovat vähän tehokkaampia kuin edullisimmat kiinalaiset elementit. Järin suurta eroa niiden välillä ei kuitenkaan ole ja molemmilla pärjää koska tässä projektissa ei ole tarpeen hakea suurinta jäähtytystehoa. Jossain määrin kuitenkin luotan laadukkaampiin enemmän.

Jäähdytystä olen säätänyt PWM moduloinnilla ja vaikka sen käyttö peltiereissä suodattamattomana ei olekaan kaikkein optimaalisinta, niin sillä pärjää ihan hyvin. Matalan kytkentätaajuuden reletermostaatteja on syytä välttää, sillä ne aiheuttavat lämpöpulsseja ja mekaanista rasitusta. PWM taajuus olisi hyvä olla kilohertsiluokassa.

Suomesta peltierejä saa useimmista elektroniikan komponentteja myyvistä kaupoista. Ebaysta löytyy lähinnä edullisia kiinalaisia malleja. Jenkeistä tilaaminen ei ole kannattavaa korkeiden postikulujen takia.

Edullisin PWM säädinvaihtoehto:
http://www.ebay.com/itm/111865802969

Vähän "kalliimpi" 20khz taajuudella. :
http://www.ebay.com/itm/261668842098

Jimmsiltä löytyy lämpöä johtavia liimoja, joilla peltierin saa kiinnitettyä lämpösiltaan:
http://www.jimms.fi/fi/Product/Show/6926/alumina-adhesive/arctic-silver-arctic-alumina-adhesive-lampoliima
http://www.jimms.fi/fi/Product/Show/57988/silver-adhesive/arctic-silver-arctic-silver-thermal-adhesive

Kuten lämmönsiirrossa yleensä, kontaktivälin/liimakerroksen tulisi olla mahdollisimman ohut.

[wm-x]

Laitetaan tilaukseen. Onko muita ebay tuotteita mitä pitää tilata? Laitan samalla tulemaan, pitkän toimitusajan takia.