CG-3: SEGUNDA PARTE
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A la hora de empezar a montar el prototipo de los circuitos analógicos, el interior del primer cabezal (70mm de diámetro), me resultó demasiado estrecho e inaccesible. Esto, sumado a otras razones adicionales que ahora comentare, me decidió a cambiar de cabezal.
La principal característica del cabezal en estas cámaras, es su función de disipador térmico. En efecto, es fácil que deba evacuar unos 30 watios. Esta es la potencia de un soldador típico en electrónica. Pero aquí debemos conseguir que la temperatura suba cuanto menos mejor, para evitar que la parte fría del modulo peltier se vea afectada.
En este punto se presentan dos posibilidades.
La primera es volver a mecanizar la pieza cilíndrica con un mayor diámetro. Pero el diámetro exterior inicial (90 mm), no es casual. Es el máximo que puedo mecanizar con mi torno y os aseguro que resultó muy laborioso.
Aunque la forma cilíndrica con aletas en la pared lateral del cilindro suele ser la habitual en cámaras de aficionado, pienso que desde el punto de vista térmico, no es el mejor diseño. Quizá la elección se deba a cuestiones estéticas. Así deben haberlo entendido los señores de Celestron. Su cámara PixCel, aunque cilíndrica, dispone de un disipador poco usual. Esta colocado en la parte trasera, con las aletas en espiral y el ventilador en el centro. Este sistema debe ser bastante eficiente ya que permite que el aire forzado por el ventilador circule por todo el radiador. El inconveniente solo radica en la fabricación. Para fabricar un disipador con esa forma habría que fundirlo en molde, lo que solo se justifica para grandes tiradas.
La segunda opción es la forma cuadrada. Este sistema es muchisimo más simple y podemos darle el tamaño que sea necesario. De hecho casi no implica mecanizado al tratarse de una simple plancha de aluminio de 6mm de espesor. Lo único que queda por hacer es una cubierta trasera, ya de material mucho más fino para cubrir los circuitos electrónicos. Por la cara superior pueden colocarse los ventiladores. En un cilindro es bastante más engorroso colocar ventiladores.
Si queremos refrigeración por agua, en lugar de los ventiladores pueden colocarse unos intercambiadores de forma igualmente sencilla.
Para comparar la resistencia térmica de las dos piezas he realizado un sencillo experimento. Mediante una fuente de alimentación regulada y una resistencia, se aplica la misma potencia a las dos piezas para después medir la temperatura que alcanza la resistencia en cada una. En el caso de aplicar 5 vatios y disponer las dos piezas suspendidas en el aire sin ventilación forzada y antes del anodizado, el cilindro, con diámetro exterior 90mm y altura 45mm, incrementa su temperatura 23ºC. La pieza de 150x150x6 lo hace en 15 ºC.
Ya centrados en la pieza cuadrada, al añadir un solo ventilador, el incremento de temperatura se reduce a 9ªC. Si la plancha no fuera lisa y dispusiera de pequeñas aletas, la disipación seria bastante mayor debido al incremento de la superficie en contacto con el aire. Esto lógicamente complica otra vez la fabricación e impide la posibilidad del agua.
Una duda que se presenta a la hora de colocar los pequeños ventiladores de CPU es si poner también el disipador que los acompaña. Sorprendentemente y a pesar de usar pasta termoconductora, usando el mismo sistema de medida anterior, resulta mejor no colocarlos.
Conector hermético.El recinto que aloja al sensor debe estar totalmente cerrado. Los cables deben sacarse por un conector que no introduzca fugas. Este tipo de conector no es fácil de encontrar y además su precio es elevado.
Conexión entre el circuito impreso y el CCD .
La solución aquí adoptada, es algo entretenida pero eficaz y muy barata. Se usan tiras de pines para grapinar. En la plancha deben hacerse los agujeros con el diámetro suficiente para que los pines no toquen al aluminio. Por un lado quedan los contactos para conectar la placa de circuito impreso y por la parte del CCD los pines para soldar.
Para sellar los agujeros es ideal el pegamento AlmostPaste. Se usa en fontanería y calefacción para tapar fugas. Es de los que hay que mezclar dos compuestos.
No sirve de mucho sacar los cables por un agujero con su propio aislante y luego sellar.
El modulo peltier.
Para enfriar suficientemente sin agua a un sensor no MPP, hacen falta al menos dos etapas en el modulo peltier. Una vez definido el numero de etapas hay que elegir como alimentarlas y como regular la temperatura. Debo aclarar que las cámaras de bajo coste no regulan la temperatura.
Las dos celulas peltier y las dos piezas de cobre para el modulo peltier.
En la CG-2 el control de la temperatura se efectúa variando la corriente que alimenta al modulo. Como esta corriente es de varios amperios, se necesita una fuente variable potente y controlada digitalmente. Por tanto, voluminosa y cara.
No es valido el control por ancho de pulso. Los fabricantes de células peltier lo desaconsejan. Además, podría inducir ruido en la lectura de la imagen.
Otra posible forma de control es alimentar al modulo peltier con la tensión máxima recomendable sin regular, solo filtrada, y calentar al CCD con una resistencia de un vatio para llevar la temperatura al nivel de control. De este modo regulamos la temperatura manejando una potencia muy pequeña.
Este método esta muy bien descrito por Trevor Preston en el articulo "Temperature controller drives Peltier cooler " en el numero de junio de 1995 de la revista EDN.
La tensión de trabajo para el modulo peltier en un montaje como este, en principio refrigerado por aire, puede estar en torno al 60% de la máxima admisible por el modulo. Las células peltier se fabrican para una gama de tensiones que pueden ir desde un voltio hasta treinta. Como es lógico a mayor tensión de trabajo, menor corriente hay que suministrar. Debemos diseñar el modulo para que pueda conectarse directamente a alimentadores lo más estándar posible como una fuente de PC o la bateria del automóvil. De esta forma la fuente de alimentación se simplifica bastante, sobre todo para funcionar en el campo. El resto de las tensiones necesarias para hacer funcionar a la cámara, requieren de muy poca potencia. Por tanto, son fáciles de obtener.
No voy a entrar en detalles de calculo para el modulo bietapa. Autores como Christian Buil lo explican a las mil maravillas. Baste saber que en una primera aproximación, para un CCD de este tamaño, la célula del primer nivel debe ser de tres a cuatro veces mas potente que la del segundo. Y esta ultima puede tener de 8 a 10w.
Aquí, la célula grande es de 15.4v, 3 Amp. y 26W, mide 30x30mm. La pequeña es de 3.8v, 3.4 Amp. y 7'6W, mide 15x15mm.
TH7863 junto a un TC 211 sobre el modulo peltier bietapa antes de colocar las conexiones.
La fijación del CCD y de las células peltier al aluminio, puede hacerse de dos formas. Mediante tornillos y pequeñas mordazas aislantes del calor, se hace presión sobre el sensor o simplemente se une todo con un pegamento termoconductor.
El método aquí elegido es una mezcla de estos dos. La primera célula está sujeta mediante tornillos de teflon. La segunda estará unida a la primera mediante pegamento termoconductor al igual que el CCD. De este modo el sensor con el primer modulo y las dos piezas de cobre formaran un conjunto que podrá ser intercambiable.
Respecto a las piezas de cobre, podrían ser de aluminio. La diferencia de temperaturas no debe ser mucha, aunque no la he medido.
Circuitos analógicos.
En esta placa están montados los amplificadores, el circuito de muestreo, el Conversor AD y las alimentaciones necesarias para estos circuitos y para el CCD.
El conversor AD que estoy usando es el MAX195. Su precio es de $55. Si queremos gastar menos, el MAX194 de 14 bits, cuesta $30 y es totalmente compatible.
Hasta ahora he probado dos operacionales. El primero que tuve a mano fue el LF353. Suficientemente rápido pero demasiado ruidoso para un conversor de 16 bits. Luego he probado el MAX410. Resulta perfecto. Con un MAX414 se tienen cuatro MAX410 en un solo chip. Esto deberá ser suficiente.
Como interruptor analógico, después de mirar otros más modernos, empece usando el 4066. Cumple perfectamente la función, es barato y se encuentra en todas partes. Igual ocurre con el 4053 que tiene la ventaja de admitir el control por niveles TTL.
Prototipo inicial de los circuitos analógicos.
Como puede verse en una foto anterior, junto al TH7863 hay otro pequeño CCD, un TC211. He querido dejar el terreno preparado para una vez que la cámara este totalmente operativa, abordar el tema del guiado. Quedan reservados en el conector los contactos necesarios para la posterior ampliación.
Coslada 15-diciembre-1998