Системы охлаждения

Одним из путей повышения динамического диапазона ПЗС-матрицы является подавление теплового шума. С этой целью применяются разнообразные схемы отвода тепла от сенсора.

В отличие от полевых камер, массогабаритные характеристики которых сильно ограничивают применение систем охлаждения, студийная фототехника позволяет использовать довольно тяжелые и объемные устройства. Кроме того, при стационарной эксплуатации энергопотребление теплообменник конструкций теоретически не лимитировано.

Системы охлаждения делятся на пассивные и активные.

Пассивные системы охлаждения обеспечивают исключительно отвод избыточного тепла от прибора в охлаждающую среду (атмосферу), при этом охлаждающий элемент служит только передаточным звеном между прибором и воздухом. Поэтому охлаждаемый прибор не может быть холоднее воздуха.

Активные системы за счет потребления энергии (электрической либо химической) понижают температуру своей рабочей области ниже уровня окружающей атмосферы. Данные устройства «вырабатывают холод», при этом в воздух выделяется не только тепло, отводимое от охлаждаемого прибора, но и тепло, создаваемое самой системой охлаждения.

Пассивные системы

Наиболее простым устройством пассивного теплообмена является радиатор (heatsink). Он представляет собой конструкцию из материала с высокой теплопроводностью, как правило, металла. При этом форма тепловыделяющей поверхности подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную площадь рассеивания. Поэтому чаще всего встречаются игольчатые радиаторы, обеспечивающие при равном объеме наибольшую рабочую поверхность.

В некоторых полевых камерах роль радиатора играет массивный металлический корпус фотоаппарата. Специальное устройство обеспечивает теплообмен матрицы и корпуса. При этом конструкция теплообменника должна исключать электрическую проводимость, так как заряд статического электричества может вывести из строя ЭОП.

Для улучшения рассеивания тепла с поверхности радиатора используется принудительный обдув с помощью микровентилятора. Подобные системы применяются в персональных компьютерах для охлаждения процессора и называются кулерами (cooler, от слова cool — охлаждать). На основании того, что при работе вентилятора используется электроэнергия, кулеры ошибочно называют активными устройствами, хотя они не могут «вырабатывать холод» и понижать температуру ниже уровня окружающего воздуха.

В целом пассивные системы охлаждения довольно эффективно применяются для охлаждения до 40° по Цельсию, хотя их производительность сильно зависит от температуры окружающей среды.

Активные системы

В быту примером активного охладителя служит обычный холодильник. Однако его конструкция, хотя и обеспечивающая высокий КПД и хорошее охлаждение, неприемлема для цифровой фототехники, даже студийной — в первую очередь из-за размеров и веса.

Для активного охлаждения студийной цифровой техники используются системы Пельтье. Работа этих полупроводниковых термоэлектрических модулей основана па одноименном эффекте.

Эффект Пельтье проявляется при приложении разности потенциалов к двум проводникам, изготовленным из разных материалов. В зависимости от полярности напряжения на стыке этих проводников будет выделяться либо поглощаться тепловая энергия. Происходит это вследствие ускорения либо замедления электронов за счет внутренней контактной разности потенциалов стыка проводников.

Наилучшего результата можно достичь при использовании комбинации полупроводников га-типа ир-типа, в которых теплопог-лощение производится за счет взаимодействия электронов и «дырок». При каскадном объединении удается добиться сильного охлаждения, но при этом наблюдается как поглощение тепла, так и выделение. Поэтому элементы системы Пельтье комбинируются таким образом, чтобы одна сторона охладителя была «горячей», а другая — «холодной».

Для отвода избыточного тепла с «горячей» стороны используются пассивные компоненты — радиаторы, часто дополняемые вентиляторами.

Активные системы на основе эффекта Пельтье позволяют охлаждать ЭОП студийных фотокамер до температур, близких к нулю.

Тепловой шум матрицы снижается в несколько раз и за счет этого значительно расширяется динамический диапазон сенсора. Однако есть ограничение по нижнему пределу температуры, так как при сильном охлаждении возможна конденсация влаги из окружающей атмосферы, которая может вызвать короткое замыкание компонентов камеры.