Refrigerar con Peltier TEC un CCD-CMOS de una Reflex DSLR Canon para Astrofotografia con Telescopio. Introduccion
Posted by drcooling on Noviembre 21st, 2009 filed in Guias y Tutoriales GratisPrimera Parte: Introducción, antecedentes y marco teórico.
Bueno, los que me conocen más de cerca sabrán lo mucho que me seduce el tema de refrigerar un sensor digital; para los que no, sin pretensiones, pueden leer el “about” de mi blog.
Proyecto astrofotografía con cámara digital reflex enfriada con peltier.
Problemática: Los chips de computadora generan cuotas de calor que van dependiendo del consumo eléctrico (ley de Joule). Este calor produce errores en las señales que se interpretan como “ruido digital”. Para el caso de un sensor de cámara digital, este ruido se convierte en puntos de color en la imagen, los que bajan la definición de esta.
Nota: En honor a la prcsisión y a tratar de generar un documento riguroso y ortodoxo (para los fundamentalistas del tema), cuando nos referimos a “sensor digital” nos referimos indistintamente a los CMOs y a los CCDs , ya sean en color o monocromáticos, a pesar de que sabemos y entendemos las diferencias entre esas tecnologías y que “sensor digital” es un termino genérico que podría aplicarse a cualquier otra clase de transductor con un conversor A/D cuya misión sea sensar o medir analógicamente fenómenos físicos, químicos, etc para generar resultados en código binario (formato digital).
Bueno, la imagen anterior es una exageración, el ruido ha sido simulado por Photoshop y es una simulación para un sensor a color (RGB) como los de una cámara digital ordinaria, pero, en una aplicación real no es muy diferente, sólo que la distribución es menos homogénea. Para el caso de una fotografía astronómica adquiere especial relevancia debido a que basta que exista un pixel de definición como para considerar que ese punto es una estrella (especialmente cuando se emplean objetivos de poco diámetro), claro, cuando se está usando la máxima profundidad que es capaz de visualizar un telescopio, como sucede con esta hermosa imagen capturada por el telescopio Hubble, que corresponde al campo ultra profundo, o sea, lo más lejos que es capaz de ver este instrumento (ya puntualizaremos sobre la definición y la resolución obtenida mediante herramientas de software que combinan numerosos frames de la misma escena).
En fotografía con focales largas (tele objetivos y telescopios), es común que la luz sea escaza y que nos veamos obligados a usar o tiempos elevados de exposición o bien sensibilidades elevadas (asumiendo que se está trabajando sobre un trípode). No entraré en mayores detalles, porque se supone no debería ser un tema complejo para fotógrafos con conocimientos formales de óptica, pero, para aquellos más aficionados, paso a dejarles un link bien interesante donde se explica a grandes rasgos la luminosidad de un lente en función de su distancia focal y diámetro.
http://www.espacioprofundo.com.ar/foros/about6458.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Número_f_(óptica)
Ahora bien, en los chips de silicio el ruido eléctrico se hace más evidente en tres circunstancias:
a) El primero es el tiempo.:
El ruido es inevitable, porque los materiales no son perfectos, siempre habrán señales que se corrompen y llegan equivocadas a los circuitos de conversion analógica-digital. En el caso de un sensor digital, cuando los transistores de los píxels son más grandes, estos captan más luz produciendo señales más nítidas y menos propensas al ruido (a menos resolución, menos ruido, por que en la misma superficie entran menos píxels, y eso los hace más grandes).
Si se usa una exposición larga, en todo el tiempo que dura ésta, es muy probable que más de algún dato se corrompa generando píxels de ruido. Evidentemente conforme más larga la exposición, es más probable que aparezcan píxels de ruido o como vulgarmente se les llama “hot pixels”
http://www.komar.org/faq/camera/canon-7d-versus-50d/hot-pixels/
En estos links hay antecedentes sobre el cálculo necesario para la exposición para logar una astrofotografía, verán que por lo general son tiempos elevados:
http://www.ccdware.com/resources/instructions.cfm
http://www.ccdware.com/resources/subexposure.cfm
Ahora bien, debo hacer una exepción. Los hot píxels aparecen por que ciertos píxels tienen defectos de manofactura que los hacen más sensibles, y por eso es que brillan más que sus semejantes. Esto corresponde a un error sistemático dentro de una imagen, la cual, en las mismas condiciones de tiempo, sensibilidad y temperatura podría ser perfectamente identificable y disimulable con herramientas de software (ojo, el software de reducción de ruido no lo corrige, sólo lo hace menos evidente). La dificultad aparece en el error aleatorio que produce la comunicación del sensor con el conversor analógico digital, ya sea por causa de la temperatura o por la falta de resolución de los pulsos eléctricos, lo cual es problemático cuando estos están en un punto de interpretacion ambiguo. Por ejemplo, si la señal se divide en 10 segmentos, y el pulso no es lo suficientemente nítido como para definir si el valor corresponde al segmento 8 o 9. Esta clase de error es la peor, por que no es sistemático, es completamente aleatorio y no es posible estimarlo. La solución radica entonces en tener hardware con la suficiente resolución (por ejemplo en vez de dividir la señal en 10, dividirla en 1000) como para que las ambigüedades ocurran en una proporción despreciable http://es.wikipedia.org/wiki/Muestreo_digital. Para el caso de la luz, es posible hacer esto, por que la cantidad de información que se puede capturar es aun muchísimo mayor de lo que ya se logra, pero esto no siempre es así. Sugiero investigar algo sobre el tema http://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannon para que se entienda que de acuerdo al tipo de muestra que se desee obtener, existe un límite relacionado con su resolución, y que aun en ese límite (o sobre el) el ruido existe (ruido de cuantificación http://es.wikipedia.org/wiki/Ruido_de_cuantificación)
b) El segundo es la amplificación:
Al amplificar una señal, es inevitable agregar una cuota de ruido, que será mayor conforme más se amplifique la señal. En el caso de los sensores fotográficos, la señal se amplifica cuando se sube la sensibilidad “ISO” (en honor a la presición, se supone que a ISO 100 no existe amplificación, pero en algunos equipos, esta señal ya viene amplificada, básicamente por la ineficiencia o el peqeño tamaño del sesor), muy útil en fotografía en condiciones bajas de luz, pero, dependiendo de la tecnología del sensor CMOS y del amplificador, llega un punto donde las imágenes se vuelven inutilizables por la enorme cantidad de ruido presente. Una fotografía tomada a ISO 1600 contendrá más ruido que una a ISO 100, donde por lo general ISO 100 es la imagen tal y como se capturó sobre el CMOS, sin amplificación alguna (salvo las excepciones mencionadas anteriormente). Evidentemente a ISO 1600 se requiere mucho menos tiempo de exposición que a ISO 100.
http://reviews.photographyreview.com/blog/canon-eos-5d-mark-ii-studio-sample-photos/
Cabe aclarar que la amplificación de la señal no se produce en el sensor CMOS, se realiza en un chip aparte. El problema grande es que la aparición de ruido, altera la percepción de color y de “rango dinámico” del sensor. En fotografía astronómica, cada cosa tiene un fin funcional, y la aparición de colores no tiene una interpretación estética, si no que representa a un sinnumero de fenómenos que ocurren en cada nebulosa, estrella, galaxia, planeta, etc… por lo que es de vital importancia maximizar la capacidad de los sensores de capturar todas las longitudes de onda del espectro visible que sea posible (incluso capturar luz infrarroja y ultravioleta si es posible). En algunos casos, eso implica modificar cámaras digitales para eliminar los filtros de luz infrarroja que entorpecen la cantidad de información que es capaz de capturar una cámara en astrofotografía.
http://ghonis2.ho8.com/rebelmod.html
http://www.astropix.com/HTML/I_ASTROP/DSLR_HA.HTM
Ahora bien, este tema en particular es profundo y complejo, podría perfectamente hacer un artículo completo aún más largo que este hablando de la fisica de los sensores digitales, pero me interesa más que se entienda que un sensor digital hecho de silicio trabaja a nivel subatómico reemplazando huecos de electrones con fotones, que generan pulsos de corriente eléctrica. En la medida que estos pulsos sean más grandes, o sea, que se convierta más energía eléctrica con menos energía luminosa, se entiende como que “la eficiencia cuántica” aumenta. Los sensores de cámaras digitales más caras tienen en general sensores con mejores eficiencias cuánticas (son mas avanzados), lo que en fotografía ordinaria implica imágenes más ricas en color, en tonos monocromaticos (más rango dinámico) y obvio con menos ruido.
Es prácticamente una verdad universal que la eficiencia de un aparato está en directa proporción con el grado de especialización de este. En el caso de los píxels de un CMOS, estos están especialiados en color rojo, verde, azul y para que estos funcionen bien, la luz debe llegar filtrada por componentes RGB. Es acá cuando el filtro infrarojo estorba, pues, atenúa la cantidad de luz existente en las frecuencias cercanas al rojo, y por ende, cuando está puesto, a estos píxels les llega menos luz y la formación de ruido tiende a crecer (fíjense que en una fotografía ordinaria, donde más se nota el ruido es en los tonos rojos y en las zonas negras).
http://www.astrosurf.com/~buil/eos40d2/filter.htm
http://www.astrosurf.com/~buil/50d/test.htm
Con respecto a la especialización, un sensor digital para astrofotografía es de captura solo monocromática. Mediante el uso de filtros específicos se capturan exposiciones a diferentes longitudes de onda, que más tarde se combinan con software para lograr ricas escenas a todo color. Estas técnicas permiten ademas la de identificar la respuesta al ruido de un píxel a determinadas longitudes de onda de luz. Como la respuesta es distinta para cada filtro, es posible estimar y eliminar estas interferencias.
Para explicar simplificadamente como funciona esto, comparto con ustedes un video que habla de una técnica muy similar.
El rango dinámico, es la capacidad del sensor de ver diferencias entre zonas ilumnadas y no iluminadas. Un rango dinámico elevado (como el ojo humano) puede ver sin problemas una escena con partes muy iluminadas y muy oscuras al mismo tiempo sin que las zonas ilumnadas salgan blancas por sobre exposición ni las zonas oscuras negras por sub exposición.
http://www.guillermoluijk.com/article/digitalp02/index.htm
http://www.jandrochan.com/?p=295
El ruido de la imagen depende en gran medida de la eficiencia del sensor, pero, esta eficiencia mejora conforme más frío pueda trabajar el sensor, ya que en principio sencillo, la red cristalina del silicio tiende a estar mas ordenada (lo que en termodinámica se conoce como bajar la entropia).
c) El tercero es el calor:
El calor no lo entendamos como “temperatura” si no como “energía”. Un CMOS por si solo no se calienta con su funcionamiento, pero conforme más frío esté, menos sensible será al ruido, las señales serán mas nítidas y podrán ser modificadas (amplificadas) con más precisión (por el error de propagación cometido en una amplificación).
Ahora bien, es lamentable, pero el resto de la circuiteria que permite que un CMOS funcione, sí se calienta con su funcionamiento y termina calentando de forma poco uniforme el sensor, generando manchas sobre éste, manchas que no son otra cosa que ruido eléctrico sobre la imagen, como vemos acá:
http://www.lrgb.com/20dadark.html
http://www.ayton.id.au/gary/astro/Olympus_c8080/C8080_noise.htm
http://www.berfield.com/plugin.html
En fotografía astronómica, por las largas focales de los instrumentos ópticos (objetivos poco luminosos) y las condiciones de luz baja de las escenas (fotografía nocturna) se hace necesario que se expongan los sensores durante mucho tiempo y a sencibilidades elevadas, cientos hasta miles de veces mas tiempo de lo que consumiría una fotografía tradicional (1.200 segundos de exposición son 72.000 veces la exposición de 1/60 segundos, velocidad típica de una fotografía diurna), aumentando dramáticamente las posibilidades de que esta contenga ruido eléctrico.
Solución por software:
Existen herramientas gráficas que permiten considerar el ruido típico producido por un sensor, como vemos en el siguiente link:
http://blog.spirithands.net/2008/03/what-is-dark-frame-extraction.html
http://www.qsimaging.com/ccd_noise.html
El detalle es que, lo que hace esto es estimar como deberia ser la imagen si no existiera el ruido, es una imagen “falseada”. Hay muchos algoritmos que realizan este trabajo y uno de los más sencillos (para que entiendan por qué es una imagen falseada) consiste en ignorar las pequeñas zonas de la imagen donde se sabe hay píxels de ruido (o píxels muertos, o hot píxels, o píxels bloqueados, etc) y luego reconstruir esa zona de la imagen por interpolación de la información existente en la periferia a esos puntos. Como la cantidad de información eliminada es pequeña, no se nota mucho en la imagen.
Evidentemente que este sistema es útil, pero siempre debe usarse como último recurso ya que si algo debe aprenderse en fotografía de cualquier clase, es que no hay nada que pueda superar a una fotografía hecha 100% con luz o con medios “físicos” en vez de software o plugin. La mejor forma de lograr una fotografía es sólo con filtros ópticos, lentes, espejos, etc… controlando y modificando la luz. Las herramientas de software deben usarse en la menor cantidad posible, por lo que debe elegirse el hardware cuya tecnología sea menos sensible al ruido o permita modificaciones que lo minimice.
Hay herramientas de software que permiten calibrar las imagenes eliminando los errores sistematicos conocidos, de los cuales podemos distinguir los siguientes.
El error sistematico de amplificacion: Que se obtienefotografiando con el lente tapado, durante la misma cantidad de tiempo, a la misma sencibilidad y temperatura a la que se capturo una imagen. A esta captura en particular se le conoce como “dark” y pone en evidencia los “hot pixels” y el ruido producido por el calor de los circuitos circundantes.
El error sistematico de “transmision”, que es el error que se introduce en la imagen al transportarla desde el amplificador a la memoria, es el error que se genera tambien al grabar la memoria. Recordemos que segun el teorema de incertidumbre de Heinsberg, no es posible medir un fenomeno sin intervenir la medicion. Es presisamente esto lo que se captura en una captura particular que se conoce como “Bias” y que consiste en fotografiar con el lente tapado a cualquier ISO y temperatura a maxima velocidad de obturacion de la camara.
El error sistemático óptico, que es el error que se introduce por el polvo, los hongos, suciedad, etc ya sea sobre el sensor, o sobre alguna parte de los lentes, espejos, etc… del sistema. Esto se evidencia mediante una captura que se conoce como “flat” que consiste en una fotografía de una plantilla blanca con todo el sistema óptico tal como se empleara (recordar que esto mide el error en la optica).
De todos modos, no podemos dejar de decir que estas herramientas ayudan bastante al desarrollo del tema, sobre todo por que es imposible eliminar el error de una lectura, y en la medida que podamos estimarlo y disimularlo, los resultados serán de mejor calidad, como vemos en esta captura hecha por Carlos la cual tiene esas tres correcciones anteriores, mas una cuarta que tiene una relación estadística fotografiando muchas veces el mismo objeto en las mismas condiciones (lo que se conoce como “apilado”), según sus propias palabras:
“Es el núcleo de Orión, la de la izquierda es una sola imagen de 8s a ISO 800, la central es el resultado de apilar/stackear 15 imágenes de 8s = 120 s = 2 min y la de la derecha 15 imágenes de 8s = 120 s = 2 min y calibrada con 5 “malos” darks (no se encontraba el sensor a la misma t° de la toma de imágenes).
Se realizó con DeepSkyStacker, mirar en paricular el segundo cuadro:”
Faltaría una quinta corrección, que tiene que ver con eliminar ciertas zonas de colores determinados para aumentar el contraste o para resaltar mas aun el negro profundo del espacio, que se conoce como “restar los negros”
Acá otra imagen de Carlos con todos los ajustes, según sus palabras:
“Calibrada con DeepSkyStacker y procesado con PixInsight LE:
Crop, DBE, histograma, curvas, SGBNR y resampleo.
Montura LXD75, guiado manual.”
http://astrocarlos.blogspot.com/2009/03/cabeza-de-caballo-y-la-flama-diciembre.html
Y una fotografia de Alejandro NautilusCL, segun sus propias palabras:
“Desde el patio, 20 imagenes de 5s de exp a iso800 … 750mm de longitud focal en pleno san bernardo (con la contaminación lumínica que ello conlleva) y sin restar darkframes… pero subí la exp y se perdieron los colores jajaja pero no tengo motor de seguimiento asi que no puedo alargarme mucho en las exposiciones”
Cito:
“Para que quede a modo de ejemplo de la diferencia de resultados variando el post, esta foto fue tomada con el mismo equipo pero con otro post proceso despues del stackeo. La diferencia fue que en el programa hay que ajustar el histograma y los niveles de luminancia de manera manual.”
Solución por hardware:
Primero que todo, tal vez sea necesario hacer la diferencia, de por que se emplean metodos digitales, si finalmente un film está absolutamente inmune al ruido, según apalabras de NautilusCl, quien se paso de ña astrofotografía analógica a la digital:
“En realidad en campo amplio me sigue gustando mas el film (por que a mi cámara aun no le retiro el filtro IR), pero al final lo deje de usar ya que:
- No se pueden ver los resultados a tiempo real (importantísimo, este tema a nivel de aficionado se aprende a ensayo y error)
- Despues hay que revelar, no puedo hacerlo yo mismo y en los revelados de 1 hora siempre hay que andar diciendo que las saquen todas (ven una foto negra no te la imprimen)
- En estos revelados… como ajusto historigrama??
- Muy caro
En digital he encontrado los siguientes contras:
- Hay que lidiar con el ruido, pero bueno, para esto es la refrigeración y stackeo
- Poca respuesta a las emisiones H alpha y rojos en gral (esto se soluciona sacando el filtro IR)
En cambio en digital tengo muchas ventajas:
- Ver lo resultados apenas se termino de tomar la foto, hasta en la misma cámara
- Infinitas posibilidades de pre y post procesamiento, dependiendo de que uno quiere obtener de la foto
- Solo hay considerar el precio del equipo, despues las fotos son “gratis”
- Resolución mas que suficiente en nuestros dias
- Control remoto, puedo instalar todo y despues subirme al auto y manejar telescopio y camara desde ahi xD he incluso se puede automatizar un observatorio aficionado
Esto visto desde el punto de vista practico mas que teórico
me gusta mas el film por los colores, porque el asunto del ruido ya lo tengo solucionado con el stackeo y pre proceso, osea que si le removiera el filtro IR a mi camara, solo tendria ventajas 
(pero no me atrevo a sacarlo, no hasta que tenga otra DSLR para el foteo normal y dejar mi actual canon XS para astrofoto xD)”
La soluciones en digital son variadas, donde la más evidente es la mejora de la tecnología empleada, la construcción de sensores con materiales mas puros, sensores con píxels más grandes o con transistores hechos con procesos de fabricación más pequeños, etc… pero continúa siendo insuficiente para exposiciones largas. Adicionalmente, comprar equipos dedicados con tecnología adecuada es considerablemente caro como para desinsentivar su consumo.
Una alternativa bastante mas accesible por un tema de costos, es comprar una cámara digital reflex de gama baja (usualmente Canons) y enfriarla para bajar el ruido eléctrico, pero esto supone varios problemas que deben ser resueltos.
Esto tiene muchísimas ventajas, mas allá de las evidentes como bajar el ruido. Como se explicó antes, es posible estimar el ruido de una imagen y mejorar su calidad con herramientas de software, para lo que se hacen necesarias múltiples exposiciones en idénticas condiciones. Pensemos que estamos usando 16 exposiciones de 20 minutos cada una, para lograr una imagen de buena calidad mediante el “apilado de imágenes”. Si bajamos el ruido existente en el hardware, el resultado en una condición ideal, seria buena a la primera exposición, ahorrándonos muchísimo tiempo. La realidad es poco probable que tal cosa pueda suceder, pero bajando el ruido gracias al frío, ya no serán necesarias tantas exposiciones, probablemente se podría lograr con 2 o 4.
En un telescopio de observatorio esta solución no es muy distinta. Se emplean “cámaras digitales” (arreglos de CMOS que forman imágenes incluso de varios gigapíxels) cuyos sensores se enfrían por debajo de la temperatura ambiente para minimizar el ruido presente en las imágenes. Una ventaja adicional de enfriar el CMOS es que es posible emplear modificaciones al firmware de esas cámaras y usar sensibilidades mas allá de lo que se permite por “default”. Evidentemente, con el CMOS tan frio, es posible darse el lujo de emplear sensibilidades elevadas sin preocuparse mayormente por el ruido. Esto es por que al estar más frio el CMOS, la eficiencia cuántica de cada píxel-fototransductor aumenta, generando pulsos mas nítidos que podrian amplificarse con menos error o en otras palabras “aumentar el rango dinámico del sensor“, cosa que para los que saben de fotografía, agradecen a cualquier sensibilidad elegida.
En estos documentos, hay información científica sobre una solución comercial análoga a lo que pretendemos hacer nosotros, hay gráficos detallados sobre la respuesta de los sensores al ruido v/s la temperatura de servicio:
http://www.starworksteam.com/images/Documents/cooling_box_mk1_product_summary_eng.pdf http://www.starworksteam.com/images/Documents/cooling_box_mk1_noise_comparison_data_canon50d.pdf
Las condiciones de borde de un sistema que refrigere un CMOS o una cámara digital completa son:
i) Equipo lo suficientemente ligero como para no generar torques sobre la montura del trípode y menos aun movimiento de este.
ii) Equipo con consumo mínimo de energía, que permita su alimentación portátil o conectarse a lineas de baja potencia, ya que la fotografía astronómica suele hacerse en zonas no urbanizadas
iii) Equipo portátil y pequeño
iv) Equipo con la menor cantidad de partes y piezas moviles, para evitar la generación de vibraciones en el instrumento óptico y de este modo bajar las posibles trepidaciones en la imagen.
v) Temperatura de equilibrio constante y estable, para bajar al mínimo las variaciones de la respuesta al ruido del sensor.
vi) Aislación térmica y sello contra el aire ambiente para evitar la producción de condensación o escarcha dentro y fuera de la cámara.
g) Posibilidad de conectar interfaces externas para controlar la cámara desde el exterior.
Solución propuesta:
En internet hay suficientes guías de como enfriar una cámara digital con peltiers, pero en base a mi experiencia enfriando chips de computador, siento que todas estas soluciones contienen problemas que podrían ser resueltos con el único fin de aprovechar mejor la capacidad de enfriamiento de las peltiers.
http://www.aznightsky.com/Coldbox.htm
http://ghonis2.ho8.com/rebelmod450d16c.html
http://sd-1.archive-host.com/membres/up/21361433292358693/Hyper.pdf
http://ghonis2.ho8.com/rebelpeltier.html
http://glogg.jupiter-io.net/300D/
http://xapastronomia.blogspot.com/2009/02/refrigeracion-cmos-canon-eos-400d.html
http://www.centralds.net/en/history5.htm
http://fotografiaastronomica.com/viewtopic.php?f=8&t=4972&start=0
El primero, y mas evidente, es que se emplean peltiers demaciado pequeños, sacados básicamente de coolers portatiles enchufables en vehículos. Estos peltiers tienen potencias que oscilan entre 30 y60 watts, y su tamaño no es mucho menos que un peltier mas poderoso (un peltier de 30 watts mide 30×30mm mientras que uno de 220 watts mide 50×50mm) . Adicionalmente, las fuentes de poder de peltiers suelen ser del orden de los 300 watts, por lo que usar un peltier tan pequeño no es presisamente una elección que maximice el uso de los recursos disponibles. Comprar un peltier de 220 watts no es mas caro que comprar un cooler con un peltier de 30 watts, aunque claro, sería necesario enfriar el peltier con un sistema de agua para poder mantenerlo a una temperatura adecuada.
http://www.dangerden.com/store/226-watt_peltier.html
http://www.dangerden.com/store/80-watt_peltier.html
Un sistema de agua funciona idéntico al que tienen los motores de combustión interna. Un circuito conformado por una bomba de agua, un radiador, mangueras y un intercambiador de calor que abosorve el calor, en este caso generado por el peltier.
El segundo, menos evidente es el diseño térmico de los sistemas propuestos. Una unidad peltier se caracteriza por mantener una temperatura mas o menos constante entre la cara fria y la cara caliente. En la medida que se enfríe mejor la cara caliente, la cara fría lo estará más aun. En todas las guías revisadas, los disipadores usados en la cara caliente son un tanto deficientes, simples disipadores de computador diseñados para disipar unos 100 watts de calor en el mejor de los casos (muchos ni siquiera son disipadores de CPU), cosa que no satisfacería nuestras necesidades de refrigeración si es que se emplea un peltier de mas de 100 watts.
Una solución propuesta, que será evaluada en una segunda etapa, es enfriar la cara caliente con un sistema de refrigeración líquida, como los mostrados al comienzo de este documento. Una ventaja de esta solución, es que el intercambiador de calor sería más ligero, compacto que un disipador de aire pero con mucho menos resistencia térmica.
Paso a mostrar parte de las experiencias que tuve con respecto a esto, un sistema enfriado por líquido con un peltier de 220 watts con el que lograbamos establecer un cpu con unos 100watts de carga térmica a varios grados bajo cero.
Esto nos llena de espectativas, por que una cámara digital no es capaz de producir semejante cantidad de calor, por lo que aplicando los principios con los que congelabamos cpus overclockeados, en una cámara digital nos debería permitir alcanzar temperaturas de trabajo aun menores que lograbamos en poco tiempo.
Ahora bien, probablemente este no sea el peor problema, el diseño térmico interior de las cajas es un poco rudimentario, sólo en este ítem encuentro varios sub defectos.
El que primero viene a mi mente, es que veo sólo placas planas o disipadores pequeños que no van apernados sobre el peltier. Esto es fatal, por que cuando un peltier trabaja, una cara se calienta y la otra se enfria, lo que implica que una cara se dilata y la otra se contrae, produciendo pares de fuerzas que curvan el peltier. Cuando el peltier se curva y no está apernado, se mete aire entre sus caras, aire que es tremendamente aislante del calor y estropea la transferencia de calor. Por eso es que en las fotografias anteriores, se ve el peltier entre un sandwich de cobre conformadas de placas relativamente gruesas y rigidas, que no se desforman con la dilatacion del peltier.
La forma correcta de resolver el problema, sería poner dos disipadores de base rígida apernados mutuamente y entre estos poner el peltier.
Ahora bien, el problema no acaba aquí, no basta con solo poner el peltier entre dos disipadores rígidos. La base de los disipadores, debe ser lo suficientemente lisa y plana, como para que no guarde aire en la superficie de contacto. Esto es un tanto inevitable, siempre existirá aire entre dos interfaces térmicas por que es imposible hacerlas calzar a la perfección, pero se busca que con un mecanizado correcto, la rugosidad de la superficie sea la menor posible, y que ademas sea lo más liso posible, idealmente al grado que queden como un espejo, como se aprecia en la siguiente imagen que corresponde a la placa central de un sistema peltiers de dos etapas.
Aún cuando se consigan superficies de contacto lisas y planas, siempre quedará algo de aire atrapado, por que microscópicamente las superficies siguen siendo rugosas. Por este motivo, se debe reemplazar el aire con “compuesto térmico“, que es una grasa de silicona con partículas que mejoran su conductividad térmica. A pesar de que este compuesto tiene mejor conductividad térmica que el aire, sigue siendo bastante resistiva comparado con el cobre o con el aluminio, por lo que su uso siempre debe ser en la menor cantidad posible.
http://www.customthermoelectric.com/TIMs.html
Para desplazar al máximo la cantidad de compuesto térmico que quepa entre peltier e intercambiadores de calor (ademas de evitar que se encorve mientras funciona), las piezas metálicas deben generar una presión considerable. Como la superficie del peltier es relativamente grande, la fuerza con la que deben apretarse los tornillos no es despreciable (fácil mas de 100 kilogramos en total). Si la fuerza se aplica de forma uniforme, el peltier no se quiebra (son cerámicos muy frágiles). Esto tiene una ventaja adicional, y es que conforme más apretadas esten dos superficies que intercambian calor (y que no están soldadas), la resistencia térmica de la interface baja como podemos ver en el siguiente grafico.
http://www.mhw-thermal.com/products/pcm.htm
Otro error en el diseño térmico de otras cajas revisadas en internet, es que hay una gran cantidad de “etapas” por donde el calor debe viajar, esto por que el peltier se conecta por fuera de la caja y el calor viaja a través de ésta. Cuando se obliga al calor atravezar tantas capas de metales distintos, se va agregando resistencia térmica por culpa del aire que queda atrapado entre las capas. Podría hacerse de cobre soldado, pero el estaño tiene una resistencia térmica del orden de 50 Wm/ºK mientras que el cobre tiene 400 Wm/ºK, entonces, aún soldándolo, se está estropeando la transferencia de calor.
Perdonen lo burdo del esquema (no olvidar que es solo un esquema ilustrativo), pero lo dibujé en paint. El funcionamiento óptimo del peltier es sólo con 2 disipadores, bajando así la cantidad de interfaces (y resistencias) que debe vencer. De este modo, es capaz de lograr la mayor diferencia de temperatura entre el interior y exterior de la caja (a mayor diferencia de temperatura, mas frío se logra tener el interior).
Otro error, es que o no veo un disipador interno y/o ventilador, o bien, está puesto en un lugar que no tiene siquiera contacto con el peltier. Esto evidentemente estropea la capacidad del peltier de absorver el calor que hay dentro de la caja y por ende, su temperatura de equilibrio no es lo suficientemente baja.
Un disipador no es mas que una pieza metálica que aumenta la superficie de contacto ente dos medios, en este caso, el aire y la superficie del peltier. Como el calor se mueve a través de superficies, conforme mayor sea la superficie equivalente, menos rsistencia térmica existirá para que el calor viaje desde dentro de la caja, a la superficie peltier (primero desde el interior de la caja a la cara fría del peltier, luego de la cara caliente del peltier al exterior de la caja). Para que lo entiendan de una forma simplificada, existe un valor con el que se cuantifica la resistencia de un disipador que se conoce como C/W. Conforme más bajo es este número, menos resistencia tiene. Si por ejemplo, tenemos 100 watts de calor, y usamos un disipador que tenga un C/W = 0.5, esto significa que éste disipador mantendrá el aparato funcionando a 50 grados por sobre la temperatura ambiente (100 watts de calor x 0.5 C/W = 50). En la medida que tengamos más calor que transportar, más eficiente tiene que ser nuestro disipador (de menor resistencia térmica) y de este modo, lograr temperaturas de equilibrio más bajas. Un sistema de agua de computador por ejemplo, suele tener un C/W de 0.2, esto significa que si queremos enfriar un foco de calor de 100 watts, la temperatura de equilibrio será de 20 grados por sobre la temperatura ambiente. Los peltiers se caracterizan por mover grandes cantidades de calor, y por este motivo se requieren de disipadores grandes a cada lado de estas unidades, recordemos que un objeto que se calienta rápido, se enfría rápido también, por lo que en una situación ideal, los disipadores a cada lado del peltier deberían ser idénticos. Es lamentable que esta no sea una situación ideal, y que debamos castigar al disipador que va en el interior de la caja por motivos de espacio y peso.
No sirve poner un disipador en cualquier parte sólo por que la caja es metálica, ya que el calor se mueve a través de secciones de metal. Una lata delgada, aún de un muy buen conductor del calor, no contiene la suficiente cantidad de material como para mover calor lateralmente por mucha distancia (no más de 20 o 30 veces su espesor). Para que esto sea posible, habría que construir una caja de unos 10mm de espesor, situación que es absolutamente inviable. Por este motivo, debe cocentrarse todo el esfuerzo de mover calor sólo donde este ubicado el peltier, como en el esquema anterior, que es la solución propuesta.
Es de suma importancia, tratar de mantener el peso de la solución lo más bajo posible. El material idóneo sería entonces aluminio para todos los intercambiadores de calor, que, apesar de su menor conductividad térmica (comparado con el cobre), pesa a penas 1/4 de lo que pesa el cobre en el mismo volumen.
Esto tiene relación con la forma en la que un telescopio se enfoca y se mueve.
El telescopio se enfoca mediante un tubo móvil donde suele ponerse un ocular para mirar a través de el con el ojo desnudo (fotografía de NautilusCl).
En este tubo, se reemplaza el ocular, por un anillo adaptador que en un extremo tiene hilo, y en el otro tiene la forma de la bayoneta de la respectiva cámara que se instalará (fotografías de NautilusCl).
El sistema que tienen los telescopios para prevenir que las imágenes queden trepidadas en exposiciones largas (el mecanismo con el que se siguen las estrellas), consiste en un artefacto rotacional accionado por un motor.
http://www.spovi.es/folletos/zeus/Manual.pdf
Obviamente, mientras menos peso se agregue en el extremo del telescopio más sencilla y precisa sera la labor del motor.
Un problema adicional de trabajar con peltiers, es la alimentación de los peltiers.
A pesar de que la mayoría de los peltiers estan rotulados como “12 voltios” la verdad es que se comportan mejor a 15 o 16 voltios, es cuando más calor son capaces de mover.
Las fuentes de poder para alimentar peltiers, deberían ser de voltaje ajustable para encontrar el punto óptimo de funcionamiento del peltier empleado. Por este motivo, no es recomendable alimentar un peltier con una fuente de poder de computador, en lo posible hay que fabricarse una fuente de poder regulable o comprar una que entregue entre 13 y 16 voltios.
Los argumentos teóricos de cómo y por qué se construirá la caja en la forma propuesta en el siguiente artículo, ya está expuesta, pasemos ahora a la construcción.
Continuará en Segunda Parte: Desarrollo, Construcción y resolución de problemas.
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