Umbau einer DSLR in eine gekühlte und
IR-modifizierte Astrokamera EOS 500 Dac
Mein Ziel war es, eine astromodifizierte und gekühlte DSLR auf Basis einer gebrauchten EOS 500 D zu bauen.
Astromodifikation:
Die Astromodifikation ging rasch von der Hand, da ich zuvor
schon eine EOS 350 D umgebaut hatte. Ich machte einen Totalumbau, d.h.
entfernte den Filter komplett. Es existieren im Netz unzählige sehr
gute Dokumentationen zu Astromodifkationen von DSLRs, hervorheben
möchte ich dabei Gary Honis, dessen Seite mir eine große Hilfe war.
Die einzige Hürde beim Entfernen des Filters war die korrekte Montage
des Rahmens der den Chip trägt. Bei neueren Kamera-Modellen (ab 500D
aufwärts) ist dieser Rahmen nicht mehr direkt auf der Grundplatte
verschraubt, sondern über eine 3-Punk Lagerung mittels Spiralfedern
montiert. Der Einbau des Rahmens sollte möglichst rechtwinkelig zur
optischen Achse erfolgen, damit die Sterne über das gesamte Bildfeld
scharf abgebildet werden können. Ich löste dieses Problem, in dem ich
den Tiefenmesser eines Messschiebers (Schiebelehre) als Distanzhalter
benutzte. Es ist nicht ganz einfach, an allen 3 Stellen des Rahmens
einen Platz für Abstandshalter zu finden, der Messschieber eignete sich
am besten dafür. Leider habe ich keine Bilder davon gemacht.
Kühlung:
Der Bau einer Kühlbox mit Peltier-Elementen gestaltete sich
wider erwarten sehr schwierig. Es gibt auch dazu viele Beschreibungen
im Netz, allerdings sind die Ansätze und Ergebnisse recht verschieden.
Um ein Gefühl für die zu erwartete Kühlleistung zu bekommen,
experimentierte ich mit einer Unzahl von Versuchsaufbauten.
Zu Beginn arbeitete ich mit 2 verschiedenen Gehäusetypen, einer Box aus
Aluminium (Hammond) und einer glasfaserverstärkten Kunststoffbox POK5
(beide z.B. von Fa. Conrad-Elektronik)
Nach einigen recht Erfolg versprechenden Versuchen mit der POK5 Dose
entschied ich mich trotzdem für die Aluminium Variante, da diese viel
leichter ist und bei entsprechender Isolierung von Außen auch sehr gute
Ergebnisse lieferte.
Da ich die EOS mehrmals zerlegen musste, entschied ich mich dafür,
einige unwichtige Elemente zu entfernen. Der Umstand, dass mir bei der
Demontage einer Platine ein Draht aus einem Stecker ausgebrochen ist
erleichterte diese Entscheidung ungemein .
Ich entfernte unter anderem das Display (Streulicht und
Energieverbrauch = Temperatur), den Ladekondensator für das interne
Blitzgerät (Achtung: Mit diesem Elko ist nicht zu spassen, im geladenen
Zustand verteilt dieser sehr starke Elektroschocks – Ausbau auf eigene
Gefahr!), den Spiegelkasten und das Kunststoffgehäuse. Den oberen
Aufbau habe ich behalten, da ich den Programmwahlschalter für Notfälle
noch bedienen möchte.
Der Umbau im Detail:
Wie schon oben beschrieben, machte ich zu Beginn eine
Totalmodifikaion. Da ich bei der Kühlbox mit Taubildung im Inneren
rechnete, versiegelte ich die Platinen der Kamera mit einer Lage
Heißkleber.
Speicherkartenplatine und Akkuschacht (klicken für größere Ansicht)
Vorderseite mit entferntem Spiegelkasten (klicken für größere Ansicht)
Rückseite mit montiertem Gehäuseoberteil (klicken für größere Ansicht)
Da ich das Funktions-Wahlrad nicht demontieren wollte, beließ ich es im
Gehäuseoberteil. Auf der Vorderseite des Gehäuses wurde der ausladende
Vorsprung für den eingebauten Blitz mit einem „Dremel“ abgeschnitten.
Der Blitz wurde entfernt. Der Vorder- und Rückseitige Teil des Gehäuses
wurde entfernt. Nun kann die Kamera am Kamerabajonett plan aufliegen
und dadurch in das Gehäuse verbaut werden.
Deckelmontage des Kameragehäuses (klicken für größere Ansicht)
Vorderansicht mit geschlossenem Bajonett (klicken für größere Ansicht)
Das nun offene Kameragehäuse wird mit einer kleinen Aluminiumplatte
direkt an der Stativschraube mit dem Gehäuse verbunden. Dadurch kann
auch eine recht gute Temperaturübertragung in das Kameragehäuse
gewährleistet werden. Um die Kraft die auf die Stativschraube wirkt
besser zu verteilen, wurde das Kameragehäuse mit einem Bügel und 2
langen Schrauben zusätzlich am Aludeckel der Box fixiert.
| Wichtig ist, dass die Kühlbox absolut lichtdicht gebaut wird. Versuche mit einer ca. 2-3mm kleinen Öffnung in der Box ergaben, dass das Licht bei langen Belichtungszeiten (10 min) durchaus am Chip abgebildet wird. Ich denke da zum Beispiel an Nachbars Gartenbeleuchtung mit Bewegungsmelder, die durchaus eine Belichtung ruinieren können wenn die Box nicht komplett verschlossen ist. |
Versuche mit verschiedenen Kühlboxen:
Die Wirkungsweise unterschiedlicher Gehäuse-Materialien und auch Varianten der Montage von Peltier-Elementen und Kühlkörpern wurde untersucht.
Die Kühlung der Box soll durch 2 Peltier-Elemente erfolgen,
die von
einem ausrangierten Computernetzteil versorgt werden.
Da das Kühlen der Box im Vergleich zu einer direkten
Chipkühlung mit
einem „Coldfinger“ sehr ineffizient ist, verzichtete ich auf eine
Steuerung/Regelung der Kühltemperatur. Bei Bedarf kann ein
Peltier-Element zu- und abgeschaltet werden (Sommer/Winterbetrieb –
bzw. zur raschen Abkühlung vor dem Start einer Fotosession).
Die direkte Kühlung ist mir persönlich zu umständlich, da nur
der Chip
zum Teil sehr stark gekühlt wird, so mit Taubildung beim Sensor zu
rechnen ist und die anderen elektronischen Komponenten
(Ausleseverstärker etc.) weniger gekühlt werden.
Daher entschied ich mich für die einfache Variante, die die gesamte Elektronik kühlt und eine mögliche Taubildung durch die Abwärme der Kameraelektronik verhindert. Ob diese Gedankengänge richtig sind, wird die Zukunft zeigen :-)
1. Versuch
Kühlelement aus einer Camping-Kühlbox
Lüfter auf heißer Seite 80mm@2450 min-1
Umgebungstemperatur 25 °C
Versuchsaufbau mit den Komponenten einer Camping-Kühlbox (klicken für
größere Ansicht)
Die Kühlkörper und das Peltier-Element wurden aus dem Deckel
der Kühlbox ausgebaut, ebenso das Netzgerät. An den beiden Kühlkörpern
wurde je ein Temperatursensor angebracht.
2. Versuch mit 2
TEC Elementen und 3 Computer-Kühlkörper
Lüfter auf heißer Seite 80mm@2000 min-1
Umgebungstemperatur 26 °C
Versuchsaufbau mit einem CPU Kühlkörper außen und 2 kleineren inne
(klicken für
größere Ansicht)
Die Kühlkörper sind direkt am Peltier-Element befestigt, dh der
Außenlüfter ist am Gehäuse montiert, die beiden inneren Lüfter werden
mit einer Federkonstruktion an das Peltier-Element gepresst. Die
Außenseite wurde mit einer Dichtmasse versiegelt.
An den Kühlkörpern wurde je ein Temperatursensor angebracht.
3. und 4.
Versuch mit 1 TEC Elementen und 3 Computer-Kühlkörper
Lüfter auf heißer Seite 80 mm @ 2000 U/min
Spannung stabil bei 12 VDC
Umgebungstemperatur 26°C bzw. 24°C
Im 4. Versuch wurde der heiße Kühlkörper am Gehäuse der Kühlbox mit PVC-Schrauben fixiert. Dadurch wurde eine geringere Wärmeübertragung zur kalten Seite erwartet, die sich allerdings nicht einstellte!
Der Versuch mit einem Peltier-Element sollte die Kühlleistung des
Kühlkörpers auf der heißen Seite demonstrieren.
Möglicherweise entsteht durch 2 Peltier-Elemente eine so hohe
Temperatur auf der heißen Seite, dass dadurch die Differenztemperatur
auf der kalten Seite angehoben wird und die Leistung geringer ist als
mit nur einem Peltier-Element.
| Die Kühlleistung eines Peltier-Elementes wird immer durch die Differenztemperatur zwischen heißer und kalter Seite beschrieben. |
Wenn nun die Umgebungstemperatur schon recht hoch ist, sinkt dadurch
natürlich die Kühlleistung, ebenso wenn die Wärme der beiden
Peltier-Elemente nicht mehr korrekt durch den Kühlkörper/Ventilator auf
der heißen Seite abgeführt werden kann. Im Umkehrschluss bedeutet dies,
dass ein Peltier-Element bei zu klein dimensioniertem Kühlkörper schon
eine verminderte Kühlleistung hat und ein dazu geschaltetes 2.
Peltier-Element dadurch die Kühlleistung weiter vermindert.
Im 4. Versuch (mit den PVC-Schrauben) war die Stromaufnahme zwar geringer, aber ebenso die Kühlleistung.
| Allgemein betrachtet ist die Kühlleistung mit 2 Pelier-Elementen und der oben beschriebenen Dimension der Kühlkörper höher als nur mit einem einzelnem Peltier-Element. |
5. Versuch mit 2
TEC Elementen und einem größerem-Kühlkörper in POC5 Gehäuse
POC 5 Gehäuse geschlossen
mit neuem gefrästem Alublock
innen großer Kühlkörper
kein Lüfter innen
Spannung stabil bei 11,57 VDC
Umgebungstemperatur 25,5 °C
Die Kühlkörper sind direkt am Peltier-Element befestigt, d.h. der Außenlüfter ist am Gehäuse montiert, der innere Lüfter wird ebenfalls am Gehäuse angeschraubt Um die Abstände einhalten zu können (Wandstärke der Box und Dicke des Peltier-Elements) und die Anschluss Leitungen nach Außen führen zu können wurde auf der heißen Seite ein gefräster Alublock beigelegt.
6. Versuch mit 2
TEC Elementen und einem größerem-Kühlkörper im Aluminium-Gehäuse
Aluminium Gehäuse geschlossen
mit neuem gefrästem Alublock
innen großer Kühlkörper
kein Lüfter innen
Spannung stabil bei 11,57 VDC
Umgebungstemperatur 25,5 °C
Die Kühlkörper sind direkt am Peltier-Element befestigt, d.h. der Außenlüfter ist am Gehäuse montiert, der innere Lüfter wird ebenfalls am Gehäuse angeschraubt Um die Abstände einhalten zu können (Wandstärke der Box und Dicke des Peltier-Elements) und die Anschluss Leitungen nach Außen führen zu können wurde auf der heißen Seite ein gefräster Alublock beigelegt.
Diagramm des
Temperaturverlaufs aller 6 Messungen
Die obere Kurve entspricht der Kühlkörpertemperatur der heißen Seite
des Peltier-Elements
Die untere Kurve die der
kalten Seite, die Farben korrespondieren mit der jeweiligen Messreihe.
Die offen liegende Variante der Kühlbox-Kühlkörper (2. Versuch) zeigt
die beste Kühlleistung, allerdings sind die Kühlkörper im Vergleich zu
den anderen Versuchsaufbauten sehr großzügig dimensioniert.
Die zwei Versuche mit den Kühl-Boxen und beiden Peltier-Elementen
zugleich (Versuch 5 + 6) zeigen ebenfalls gute Ergebnisse.
| Eine
Erkenntnis dieser Versuchsreihe ist, dass beide
Kühlkörper so
groß wie möglich dimensioniert werden sollten um die Temperatur auf der
heißen Seite zu drücken -> tiefere Temperaturen auf der kühlen
Seite
möglich.
Dies hat vor allem auf die Raumaufteilung in einem Gehäuse Auswirkungen. Für oben beschriebene Konstruktion sind 2 Peltier-Elemente durchaus sinnvoll. |
Finale Version
Ich entschied mich die 6. Version der Kühlbox weiter zu
optimieren, da
die Lastverteilung dieser Konstruktion nicht optimal war.
Einerseits
ist das Gehäuse relativ schwer (aber leichter als die Kunststoff POK 5
Dose) andererseits wegen des Ventilators und
des Kühlkörpers auch sehr seitenlastig. Der sehr kurzbauende
Komakorrektor von Baader (MPCC II) wäre bei diesen Masseverhältnissen
bestimmt an seiner mechanischen Grenze angelangt.
So überlegte ich, den Ventilator nach oben in Richtung
optischer Achse
zu verlegen und strebte eine etwas leichtere Lösung an.
Diese fand ich in einem flüssiggekühlten Kühler für
Prozessoren von
Corsair (Cooling Hydro Series H60). Dieses relativ preisgünstige
Komplettset arbeitet sehr vibrationsarm und besitzt eine relativ große
Kühlfläche, sodass beide Peltier-Elemente gut gekühlt werden können.
Das Kupferblech ist für beide Peltier-Elemente ausgelegt (klicken für
größere Ansicht)
Der kleine Ventilator ist wie in Versuch 6. verbaut (klicken für
größere Ansicht)
Vor dem endgültigen Zusammenbau erfolgte eine letzte Messung.
Messaufbau mit Computernetzteil (klicken für
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Vor dem entgültigen Zusammenbau erfolgte eine letzte Messung.
Isolierschicht (klicken für
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Eine zusätzliche Isolierschicht aus einer Polystyrol-Hartschaum Platte und eine Ummantelung mit einer „Heizkörper-Folie“ bestehend aus 5 mm Leichtschaum und einer Alufolie wurden noch aufgebracht. Die Ecken wurden mit einem Alu-Klebeband aus der Sanitärabteilung des lokalen Baumarktes verklebt.
Finale Version der EOS500Dac mit angeschraubten Baader MPCC II (klicken
für
größere Ansicht)
Das Gesamtgewicht beträgt 3,1 Kg (klicken für
größere Ansicht)
Die finale Variante der EOS 500 Dac ist fertig und erlebte an der Supernova 2014J in Messier 81 ihre Feuertaufe.
Die Kühlleistung war gut, durch die relativ kühlen Außentemperaturen von ca. 10°C zu Beginn und ca. 3°C am Ende der Session war nur ein Peltier-Element in Betrieb. Bei einer Gehäusetemperatur von rund -3°C lagen die EXIF Temperaturen bei ca. 0°C, die Kühlleistung blieb dabei relativ stabil. Zwischen 2 Bildern mit einer Belichtungszeit von je 300s war nur eine 30s lange Pause, so dass sich der Chip der EOS nie richtig abkühlen konnte. Im Schnitt war bei allen meinen Messungen eine Temperaturdifferenz zwischen EXIF- und innerer Gehäusetemperatur von 6°C aufgetreten.
Als ich die EOS 500 Dac für die Flat-Frames einige Zeit (2-3 min) abschaltete, sank die EXIF-Temperatur auf -10°C (!) ab.
Die ungekühlte EOS 500 Da im Originalgehäuse nutzte ich am 13. Jänner 2014 für Aufnahmen der Plejaden. Bei einer Umgebungstemperatur von ca. 0 bis -2°C betrug die EXIF-Temperatur im Mittel ca. 18°C allerdings bei 600s Belichtungszeit, bei 6s Pause zwischen den Aufnahmen.
Ein weiterer Versuch am 29.März mit der EOS 500 Dac ergab bei einer Aussentempertur von rund 5°C EXIF-Temperaturen um die 0° bei einer Aufnahmedauer von 15 x 600s und 6s Pausen.
Frohnleiten/Seggauberg, im Februar 2014