Elektrické vyhřívání sekundárního zrcadla Newtonova dalekohledu

1. Úvod

Během astronomických pozorování může (dle podmínek stanoviště) docházet k poklesu teploty optických ploch dalekohledu pod teplotu rosného bodu. Tehdy se na optice dalekohledu začne srážet rosa. Postupné srážení rosy zpočátku jen zhoršuje kontrast obrazu dalekohledu, až nakonec úplně znemožní další pozorování. Jednou z nejspolehlivějších možností, jak kondenzaci nežádoucí rosy zabránit, je umělý ohřev optických ploch nad teplotu rosného bodu. K tomuto účelu se běžně používá ohřev elektřinou.

V tomto článku je ukázka jednoho z mnoha možných, spolehlivých, praktických a plně funkčních řešení vyhřívání sekundáru 203/1000mm Newtonu. Jde o konstrukci, kterou jsem vyvinul v době před asi deseti lety (2009), a poté používal ku spokojenosti bez sebemenších problémů nebo poruch až do prodání dalekohledu (2012).

Přestože dnes už se na vše dívám jinak, vyhřívání bych navrhl menší, lehčí a bez nutnosti rozebírat sestavu sekundárního zrcadla kvůli montáži výrobku, věřím, že jako inspirace i přibližný návod ke konstrukci je tohle řešení dobré ke zveřejnění až až. Předložený článek je nepatrně upravený text, který jsem zveřejnil už v roce 2009 na dnes již prakticky nefunkčním osobním webu.

K vyhřívání sekundárního zrcadla dalekohledu je použit plošný spoj odpovídajícího eliptického tvaru s hustě rozmístěnými SMD rezistory RC0805. V době návrhu jsem si dokonce myslel, že jsem s tímto principem přišel jako první. Byla to ovšem nevědomost a obdobně provedené vyhřívací přípravky se už v té době běžně prodávaly a vyráběly. Kupříkladu jeden čas nabízel podobné vyhřívání výrobce Kendrick.

2. Nejzákladnější požadavky na konstrukci

Protože je teplota vyhřívané optické plochy obyčejně vyšší než teplota okolní, dochází v její blízkosti k proudění ohřátého vzduchu, neboť má nižší hustotu, než okolní vzduch. Tento ohřátý vzduch má obecně nižší index lomu, než vzduch okolní, chová se tím pádem jako optický prvek. Je- li vzduch ohřátý na teplotu jen o několik málo °C vyšší, než je okolní teplota, je jeho vliv při pozorování volným okem na ostrost pozorovaného obrazu prakticky neznatelný. Jinak je tomu při pozorování dalekohledem, zejména při větších zvětšeních- tehdy je dobře viditelná snížená ostrost a chvění obrazu. Optickou plochu je tedy nezbytné vyhřívat co nejméně, jak je to jen možné. Součástí vyhřívání tedy musí být plynule nastavitelný regulátor výkonu.

Dalším problémem, na který konstruktér při návrhu vyhřívání naráží, je možnost deformace optické plochy sekundáru kvůli teplotní roztažnosti materiálu zrcátka. Přesnost, s jakou jsou optické plochy vyrobeny, a kterou si současně mají uchovat během pozorování, je obyčejně v desetitisícinách, někdy až statisícinách milimetru. Pokud je tedy optický prvek vyhříván ve svém objemu nerovnoměrně, jeho deformace můžou zapříčiňovat zhoršení optické kvality. Obzvlášť u skla, materiálu s mizernou tepelnou vodivostí. Požadavek jde snadno splnit vyhříváním zadní plochy sekundárního zrcátka plošným spojem s hustě rozmístěnými SMD rezistory.

Tento dokument má být praktickou ukázkou koncepce elektrického vyhřívání sekundárního zrcadla, které popsaná úskalí zohledňuje. Vyhřívání je součástí dalekohledu Sky Watcher, Newtonu o Ø203mm s ohniskovou vzdáleností 1000mm. Dokument neměl být návodem, nebo detailním technickým popisem, jako spíš inspirací pro zájemce o podobnou konstrukci.

3. Vlastnosti a parametry konstrukce

Na základě uvedených omezení, z požadavků pozorovatelské praxe a současně požadavku na co nejnižší cenu konstrukce, bylo navrženo vyhřívání sekundárního zrcadla o následujících vlastnostech:

 1. Zachování původní rozebiratelnosti sestavy sekundárního zrcadla, jeho držáku a pavouku. Zajišťuje to dvojice svorkovnic v místech, kde musejí být při demontáži přívodní kabely rozdělovány.

 2. Zachování původních optických vlastností dalekohledu. Tvar vyhřívacího tělíska kopíruje tvar sekundárního zrcadla, aby tělísko nezhoršovalo centrální stínění dalekohledu. V místech, kde nehrozí nebezpečí přídavného stínění primárního zrcadla, jsou přívody k vyhřívacímu tělísku řešeny běžnou dvoulinkou o průřezu 2 krát 0,35mm2. Po vnější hraně jednoho ramene pavouku (to má tloušťku pouhý půlmilimetr!) je pak vedena elektřina pomocí dvou měděných lakovaných vodičů o vnějším průměru kolem 0,15mm- tedy opět bez vlivu na optické chování ramene. Zachování původních optických vlastností je podřízena i ceková koncepce vyhřívacího tělíska- je to elipsovitý plošný spoj, po jehož ploše je pravidelně rozmístěno celkem 100 SMD rezistorů, které díky tomu zahřívají sekundární zrcadlo v celé zadní ploše homogenně.

 3. Regulace výkonu vyhřívání. Regulace střídou napájecích impulsů je zajištěna jednoduchou elektronikou, která je umístěna i s ovládacími prvky na vnější stěně tubusu dalekohledu v blízkosti okulárového výtahu- ovládání je tedy vždy pohodlně po ruce. Samozřejmostí je indikace výkonu pomocí ručkového měřicího přístroje. Vzhledem k předpokládanému napájení z 12V Pb akumulátoru, jehož napětí můžeme považovat za relativně stabilní, není ošetřena závislost vyhřívacího výkonu na napájecím napětí. Regulace je téměř bezeztrátová, proto nevzniká v regulátoru prakticky žádné parazitní teplo, které by mohlo ohřívat vzduch před objektivem dalekohledu a tím jakkoli zhoršovat obraz.

 4. Rychlý ohřev po zapnutí. Je- li vyhřívání zapnuto až po zkondenzování rosy na sekundárním zrcadle, zrychlí regulátor její odpaření tím, že prvních cca 30s po zapnutí pracuje na dvojnásobek maximálního nastavitelného výkonu. Tato funkce, vzhledem k předpokládanému způsobu používání přístroje, není vypínatelná. Rychlý ohřev je po zapnutí indikován svitem červené LED, po jeho automatickém vypnutí LED zhasne, aby pozorovatele nerušila- tehdy začne vyhřívání pracovat na výkonu, který si pozorovatel nastaví.

 5. Jako drobné vylepšení byl již hotový a používaný kryt elektroniky doplněn po stranách o 4 napájecí konektrory, které slouží zároveň k případnému rozvedení elektřiny k dalším spotřebičům v „horní” části tubusu dalekohledu.

 6. Ochrana proti přepólování (dioda), ochrana před vysokofrekvenční složkou napájecího napětí (RC filtr), odrušení spínacího tranzistoru (velmi nízký spínací kmitočet+ zpomalení rychlosti sepnutí/ vypnutí).

Parametry:

Tabulka 1: Parametry popisované konstrukce vyhřívání.

4. Mechanické provedení

Mechanické provedení je navrženo s ohledem na co nejjednodušší realizovatelnost z materiálu typu „co dům dal“. Jak sestava sekundárního zrcadla vypadá, je zřejmé z následujícího schématu- obr. 1.

Obrázek 1: Schéma mechanického řešení vyhřívání sekundárního zrcátka dalekohledu.

K sekundárnímu zrcadlu je silikonem přilepen vyhřívací plošný spoj a na takto vzniklou sestavu je teprve opět silikonem přilepen kovový držák. Plošný spoj musí být vyroben z co nejtenčího materiálu, má- li být po jeho osazení zachována „kolimovatelnost” sekundárního zrcadla. V opačném případě by nezbylo nic jiného, než úprava některých dílů, např. držáku na soustruhu. Kovový držák musí být přilepen mírně excentricky (tak, jako původně od výrobce před oddělením od zrcátka), chceme- li, aby po montáži upraveného celku zpět do dalekohledu, byla ramena pavouku správně seřízeného dalekohledu rovnoběžná/kolmá- a to je kvůli difrakčním jevům žádoucí. Míra vyosení- offset- závisí na konstrukčních parametrech konkrétního dalekohledu. V tomto textu je vysvětlen pojem offsetu sekundárního zrcadla, odvozen jeho výpočet a ke stažení nabídnut spreadsheet (xls), který umí offset vypočíst.

Vývody pro připojení vyhřívacího tělíska jsou na neosazené straně plošného spoje realizovány pomocí dvou běžných elektronických drátových propojek (nebo uštípnutých přebytečných vývodů součástek). K vývodům je připojena krátká dvoulinka, která vede do svorkovnice. Ke svorkovnici, která dovoluje bezproblémovou rozebiratelnost celku, je připojena další dvoulinka, vedoucí až na středovou část pavouku. K ní je připájena dvojice měděných lakovaných vodičů o Ø cca 0,15mm, které vedou napájení vyhřívacího tělíska po hraně ramena pavouku až k jeho okraji do další dvoulinky. Ta již prochází dírou v tubusu na jeho vnější stranu. Je zapojena do další svorkovnice, osazené pro snadnou demontáž celého pavouku z tubusu. Vše dokumentují následující fotografie, pořízené jako dokumentace přímo během výroby:

Obrázek 2: osazený vyhřívací plošný spoj. Kvůli různé výšce pájených spojů se musí osazená strana plošného spoje před přilepením zarovnat- např. pilníkem.

Obrázek 3: Sekundární zrcátko dalekohledu s vrstvou silikonového tmelu k přilepení vyhřívacího plošného spoje+  připravený vyhřívací plošný spoj+ kovový držák se zdrsněnou stykovou plochou.

Obrázek 4: Slepená sestava sekundárního zrcadla, vyhřívacího plošného spoje, kovového držáku a svorkovnice. Zbývá zapojit druhý vodič dvoulinky. Vzhledem k velikosti svorkovnice bylo nutné vyrobit pilníkem drážku tak, aby svorkovnice nezastiňovala primární zrcadlo více, než samotné sekundární zrcadlo. Drážka slouží současně jako rovná styčná plocha pro lepení.

Obrázek 5: K prostřední části pavouku je sekundovým lepidlem přilepená dvoulinka, která má být po smontování připojena ke svorkovnici na obr. 4. Také je viditelný první osazený lakovaný vodič o Ø 0,15mm, který dál vede elektřinu podél ramena pavouku. Je přilepen v rozumných rozestupech kapkami sekundového lepidla. Druhý lakovaný vodič je osazen obdobně těsně vedle prvního, čímž vzniká podél hrany ramena pavouku jakási velmi tenká „dvoulinka”. Vpravo je ukázka lepení lakovaného vodiče na rameno pavouku.

Obrázek 6: Detail vyvedení napájení vyhřívacího tělíska ven z tubusu dvoulinkou.

Na vnější straně tubusu je přišroubována druhá svorkovnice- těsně vedle díry, kterou je prostrčena tubusem dvoulinka z obrázku výše- aby šlo demontovat celou sestavu pavouku se sekundárním zrcadlem.

Na vyhřívacím plošném spoji je osazeno celkem 100 SMD rezistorů velikosti 0805, každý s odporem 2,2kΩ. Rezistory jsou zapojeny paralerně, jejich výsledný odpor je tedy přibližně 22Ω. Předlohou k výrobě plošného spoje fotocestou byl obrázek níže, který lze ve vhodném měřítku vytisknout přímo do podoby předlohy.

Obrázek 7: Předloha pro vyhřívací plošný spoj (původně vytvořeno v programu Auto Cad). Klikněte pro zobrazení v plné velikosti a případné uložení.

Velká osa plošného spoje měří 70,6mm. Některé obrysové čáry plní zároveň funkci spojů (pozor na to při výrobě!).

Elektronika regulátoru vyhřívání, spolu s indikačním ručkovým měřidlem, spínačem, a čtyřmi paralerně spojenými napájecími konektory, je umístěna v polystyrenové krabičce (materiál buď PS sklo, nebo HIPS nárazuvzdorný PS o tloušťce cca 4mm). Spolu s krabičkou je připevněna k tubusu dalekohledu pomocí čtyř šroubů. Před montáží byly na hotové krabičce domácí výroby sraženy hrany a nakonec byla nalakována nejprve černým matným lakem Color Spray a poté akrylovým lakem ve spreji stejné barvy. Popis krabičky přesahuje účel tohoto dokumentu. Účelem bylo spíše upozornění, jak se polystyren výborně hodí k těmto a podobným účelům. Viz. obrázek 8.

Obrázek 8: Celkové provedení elektroniky regulátoru.

5. Řešení elektroniky regulátoru

Při návrhu elektroniky byl brán zřetel především na nízkou cenu a jednoduchost, požadavkem byla také ochrana před přepólováním a rušením a slušná spolehlivost zapojení (dimenzování součástek a pod.). Výsledkem návrhu je schéma zapojení na obr. 9.

Obrázek 9: Schéma elektroniky regulátoru.

Na vstupu elektroniky regulátoru následují za tavnou pojistkou dva samostatné RC filtry (R1 až R8 s kondenzátorem C1 pro výkonovou část a R9 s kondenzátorem C2 pro řídící část), kde ochranu před přepólováním tvoří diody D1 a D2. Zakreslený spínač slouží k zapínání a vypínání vyhřívání. Na místě D1 je volena Schotkyho dioda kvůli co nejmenšímu úbytku napětí- vyšší účinnost regulátoru. Paralelního spojení osmi rezistorů SMA0207 (R1 až R8), je místo jediného výkonového rezistoru použito kvůli lepšímu poměru cena/výkon v rámci běžného prodeje (při nabíjení C1 je kombinace krátkodobě přetížena přibližně 29 násobkem jmenovitého zatížení, celkem teoretickým ztrátovým výkonem přes 100W, proto nestačí rezistor pro malý ztrátový výkon s nízkou přetížitelností). Samostaná dioda D2, jakožto ochrana operačních zesilovačů před přepólováním, je osazena kvůli vysokému zbytkovému proudu D1.

Srdcem regulátoru je obdélníkový oscilátor s lineárním průběhem regulace střídy od 0 do 50%. Jedná se v podstatě o modifikovaný multivibrátor s operačním zesilovačem- takový, jaký zná každý- viz. obrázek 10.

Obrázek 10: Známé zapojení multivibrátoru s OZ- se symetrickým (vlevo) a nesymetrickým (vpravo) napájením.

Modifikace spočívá v přesně definované hysterezi klopného obvodu a tím i přesně daném rozsahu napětí na časovacím kondenzátoru- tady C6. Je- li jeden vstup nějakého komparátoru připojen na časovací kondenzátor a druhý na zdroj napětí, regulovatelný právě do poloviny rozsahu, ve kterém kolísá napětí na C6, bude na výstupu komparátoru napětí obdélníkového průběhu se střídou impulsů, říditelnou v rozsahu 0 až 50%. Výstupem tohoto komparátoru pak lze řídit výkonový tranzistor, který spíná zátěž- vyhřívací tělísko.

Pracuje- li oscilátor, pak je sepnutý T1 a chová se prakticky jako zkrat. Hysterezi klopného obvodu oscilátoru určuje napětí na sériové kombinaci R13 a R22, která je spolu s R10 a R11 zapojená jako dělič napětí. C4 a C5 slouží ke snížení kolísání napětí na děliči, způsobené mimo jiné i prací T2, T3. Tranzistory T2 a T3 střídavě přepínají invertující vstup IO1 mezi oběma výstupy děliče R10, R11, R13 a R22- tím má komparátor multivibrátoru IO1 přesně danou hysterezi. Protože T3 a T4 signál z výstupu IO1 invertují, muselo být oproti klasickému zapojení použito invertujícího vstupu IO1. Ze stejného důvodu je časovací kondenzátor- C6- nabíjen/vybíjen invertorem IO2, a to přes R17. R12 slouží pro zajištění stability IO1, který by jinak pracoval do kapacitní zátěže hradel tranzistorů T2 a T3, propojené s C4, C5. R15 a R16 mají snížit (pojistit) případné krátkodobé vzestupy ID během přepínání T2 a T3 při vyšších hodnotách napájecích napětí. Problém by sice šlo teoreticky odstranit zmenšením součtu R13+R22, ten je však volem i s ohledem k potlačení vlivu vstupních napěťových nesymetrií a omezených rychlostí OZ (potřeba regulace opravdu od 0!).

Průběh napětí na časovacím kondenzátoru lze aproximovat do trojúhelníkového průběhu, a toto napětí kolísá téměř přesně v rozmezí, daném hysterezí komparátoru oscilátoru. Hystereze, jak již z popisu, i samotného zapojení vyplývá, je pak dána napětím na vývodech R13 a R22. Je- li tedy neinvertující vstup IO3 připojený na jezdec lineárního potenciometru R13 a invertující vstup na C6, pak dostáváme na výstupu operačním zesilovačem IO3 řízeného spínače T4 střední výkon do odporové zátěže přímo úměrný úhlu natočení potenciometru R13. Oscilátor pracuje na velmi nízkém kmitočtu kolem 10Hz. Z toho plyne, že chceme- li zabránit rušivým vysokofrekvenčním impulsům během spínání T4, není problém bez přílišné újmy na účinnosti regulátoru, spínání zpomalit pomocí RC filtru R19, C7.

Poslední součástí obvodu je časovač, který prvních cca 30 sekund po zapnutí vyhřívání udržuje sepnutý T4 a současně vypnutý T1, který by jinak zkratoval indikační LD1. Tvoří jej IO4, R21, C3, D3, D4. Dioda D3 po vypnutí napájení vyhřívání okamžitě vybíjí časovací kondenzátor C3, R21 jej naopak po zapnutí postupně nabíjí (po dobu 30s). Sepnutím T1 je po uplynutí 30s po zapnutí zkratována LD1, která přestane svítit a lze regulovat výkon.

Nakonec uveďme, že paralelně k vyhřívacímu tělísku je přes rezistor připojeno ručkové měřidlo 100μA, jakožto indikátor výkonu. Paralelně ke svorkám měřidla je musí být zapojen kondenzátor, omezující jinak viditelné kmitání ručky (nízký spínací kmitočet). Napájecí svorky regulátoru jsou připojeny ke čtyřem paralelně spojeným napájecím konektorům, které lze využít jako šikovnou rozbočku k napájení celkem tří dalších přístrojů.

Plošný spoj elektroniky jsem v době vzniku navrhoval v programu Eagle, který jsem se naučil jen opravdu minimálně a provizorně. Kvůli omezení free verze jsem totiž pokukoval po jiných programech bez omezení. V době návrhu jsem se přitom pomalu začínal učit v KiCadu. Proto plošný spoj, který je zde ke stažení jako samorozbalovací archiv, sice funguje, ale kdo jste znalci Eaglu, berte to, prosím, s rezervou.

Pokud by vás zajímala zapojení multivibrátorů s operačními zesilovači, u kterých lze regulovat střídu od 0 do 100%, můžete mrknout třeba na tento článek.

6. Závěr

Tento dokument měl být inspirací pro všechny, kteří by si chtěli vyrobit levné, ale přitom kvalitní vyhřívání sekundárního zrcadla Newtonova dalekohledu a nevadí jim přitom velké množství času, strávené při „zvelebování” svého „miláčka”. Zkušenosti z praktického provozování konstrukce jsou v současné době jedině pozitivní.

Listopad 2009, malinko editováno v únoru 2019.

Autor: Jiří Gracias