www.refek.de
Astro - und Zeitrafferfotografie

  Mattse's Bastelecke



     Objektiv- oder Taukappenheizung


Wer kennt das Problem nicht: es wird dunkel, die Temperatur sinkt und plötzlich wird es nass. Überall schlägt sich Tau nieder, kriecht in die Kleidung und irgendwann taut die Optik zu. Damit ist dann Ende Gelände mit der Beobachtung oder der Fotosession.

Die Luft ist in der Lage, abhängig von der Temperatur, eine gewisse Menge an Wasserdampf zu binden. Je höher die Temperatur ist, umso mehr Wasser ist in der Luft gebunden. Je nach Wettersituation(Luftdruck, Windrichtung und Geschwindigkeit usw.) variiert die Menge des Wassergehaltes in der Luft. Man spricht in diesen Fall von "relativer Luftfeuchtigkeit". 100% rLF bedeudet nicht, dass sich in der Luft soviel Wasser befindet, dass man daran ertrinken kann, sondern gibt an, dass die maximale Menge an Wasserdampf entsprechend der Temperatur in der Luft gebunden ist. Kühlt nun die Luft ab und die rLF übersteigt das Maximum von 100%, dann fällt das Wasser in Form kleiner Tröpfchen aus der Luft aus und schlägt sich als Tau nieder.
Nun hat Glas die etwas unangenehme Eigenschaft, beim abkühlen eine Temperatur zu erreichen, die unter die Umgebungstemperatur fällt. Auf der Oberfläche des Glases bildet sich ein Luftfilm, der kälter ist als die Umgebungstemperatur. In diesen Luftfilm kühlt die Luft weiter ab, erreicht die 100% rLF, überschreitet diese(Stichwort Taupunkt) und es bildet sich Tau. Ein schönes Beispiel ist das kühle Bier im Sommer, das man aus den Kühlschrank holt. Sehr schnell bilden sich kleine Tropfen auf der Flasche. Das ist Tau. Ein weiteres Beispiel sind Autoscheiben im Winter. Während das Dach und die Motorhaube eisfrei sind, ist die Frontscheibe vereist. Das Glas kühlte in dem Fall so stark aus, dass der Tau auf der Glasoberfläche gefrohr. Es gibt nocht viele weitere Beispiele aus den Alltag, auf der die Taubildung zurück zu führen ist.

Sinn und Zweck einer Objektiv- bzw. Taukappenheizung ist es, auf der einen Seite bei Objektiven die Unterkühlung der Frontlinse zu verhindern oder bei einer Taukappenheizung den kalten Luftfilm über dem Glas so aufzuheizen, sodass sich Tau nicht bilden und auf der Glasoberfläche absetzen kann. Dazu reicht es aus, das Glas oder die Luft vor dem Glas nur um ein paar wenige Grad über die Umgebungstemperatur zu erwärmen. Vom Prinzip her gibt es keinen Unterschied zwischen Objektivheizung oder Taukappenheizung. Bei einer Objektivheizung ist lediglich die Heizleistung ein wenig höher, da man nicht Luft sondern die Linsen erwärmen muss. Soviel zur Theorie.

In der Praxis kann man auf kommerzielle, teils maßlos überteuerte, Lösungen zurück greifen oder, wie im Anschluß beschrieben, sich eine Heizung mit einfachen Mitteln selbst bauen. Dazu ist aber ein wenig Grundwissen in Sachen Elektronik nötig. In diversen Puplikationen und Beiträgen aus dem Netz wird eine Heizleistung von 0,5 Watt pro Zoll(25,4mm) Öffnung empfohlen. Andere Quellen  geben eine Leistung von 5-10mW pro cm² Fläche an. Im Grunde genommen entsprechen beide Angaben den annähernd gleichen Wert. Dieser Wert hat sich in der Praxis bewährt.


Wie baut sich die Heizung auf und was braucht man dazu?

Im Grunde funktionieren diese Heizungen so, dass man eine Spannung an einen Widerstand anlegt und dadurch ein Teil der Spannung in Wärme umgesetzt wird. Diese Wärme kann dann zum heizen benutzt werden. Ein einzelner Widerstand strahlt die Wärme nur punktuell ab. Wir brauchen also etwas, dass die Wärme über eine größere Fläche abgeben kann: Widerstandsdraht. Entgegen vieler Meinungen handelt es sich nicht um Konstantandraht, sondern um ISOTAN(CuNi44). Siehe Datenblatt!
In vielen Bauanleitungen wird der Widerstandsdraht zwischen zwei Hälften von Panzertape gelegt und mit einer Zuleitung mit Stecker versehen. Ich gehe da einen etwas anderen, viel flexibleren Weg - ich benutze Flausch- und Klettband. Der Vorteil liegt darin, dass man das Klettband beim Transport zusammen rollen kann, ohne das dabei die Gefahr besteht den Widerstandsdraht abzuknicken. Leider passierte das bei der Panzertapevariante so oft, dass der Widerstandsdraht gebrochen ist. Zudem ist das Klettband so flexibel, dass es auch an Optiken eingesetzt werden kann, die im Durchmesser kleiner sind als das Original.





Benötigt wird also je ein langes selbstklebendes Flausch- und Klettband(im Bauhaus für je 3 Eulen pro Meter oder öfters mal beim Lidl für 4 Eulen für das 2m Set), Widerstandsdraht, eine Stromzuleitung und einen für den Akku passenden Stecker. Ich benutze XLR an der Akkubox.





Zudem eine Schere, TESA-Band, einen Lötkolben und ein Multimeter zum testen des Durchgangs und des Widerstandes.


Wie berechnet man den Widerstand und die Länge des Widerstandsdrahtes?

Man muß hier unterscheiden, ob es eine Taukappenheizung werden soll oder eine Objektivheizung. Für eine Objektivheizung setze ich 0,7 Watt pro Zoll Öffnung an, da man  in den meisten Fällen nur das Objektiv selbst in Höhe der Frontlinse beheizen kann und nicht die Gegenlichtblende selbst.

Im ersten Rechenbeispiel gehe ich von einer Taukappenheizung aus.

Sehen wir uns dazu die Grafik rechts an und gehen Schritt für Schritt vor.

Nehmen wir als Beispiel den 72er Megrez(72/432mm f/6), einen ED-Apochromaten von Williams Optic(Taiwan). Dieser ED-Apo hat einen Objektivdurchmesser von 72mm und einen Taukappenumfang von 30cm.

72mm entsprechen 2,83"(Zoll).

2,83" multipliziert mit 0,5W(Watt) pro Zoll ergeben 1,415W Heizleistung.

Da viele auf dem Acker einen 12V-Akku benutzen, entsprechen die 1,5W(aufgerundet) gemäß R=U²:P (siehe rechts!) einen Widerstand von 96 Ohm.

Bei einer Spannung von 12V und einen Widerstand von 96 Ohm fließen gemäß U:R = 125mA an Strom. Man sieht also gut, dass die Heizung recht stromsparend ist. Und auch nach persönlicher Erfahrung sehr gut funktioniert.


Leider gibt es nur eine deutsche Bezugsquelle für Widerstadsdraht mit unterschiedlichen bzw. brauchbaren Werten: Conrad Elektronic. Dort gibt es den Widerstandsdraht mit 2,5 Ohm, 5, 10, 28, 63 und 100 Ohm pro Meter.

Der Umfang der Taukappe des Megrez72 beträgt 30cm. Nehme ich jetzt einen 100 Ohm Widerstandsdraht und lege ihn in einer einfachen Schleife auf die Kleberseite des Flauschbandes(dazu später mehr), dann ist das Band bei den berechneten 96 Ohm(96:2=48 bei 100Ohm/m) ca. 50cm lang. Und hier kommt der Vorteil von Klettband gegenüber dem Panzertape zum tragen. Man kann in der Praxis das Klettband flexibel in mehreren Lagen neben- und/oder übereinander legen. In diesen Fall liegt das Klettband anderhalb Wicklungen um die Taukappe. Die Heizleistung ändert sich dadurch nicht, die Abstrahlfläche wird nur größer. Problem gelöst!

Bei einer Objektivheizung sieht die Rechnung ein wenig anders aus.
In vielen Fällen ist die Gegenlichtblende wie schon erwähnt nicht lang genug, um eine Taukappenheizung einsetzen zu können. Oftmals kommt es zu Vignettierung dadurch, dass die Heizung in das Bildfeld ragt. Besonders bei Weitwinkelobjektiven ist das ein großes Problem. Es bleibt nichts anderes übrig, als das Objektiv selbst an der Frontlinse direkt hinter der Gegenlichtblende zu heizen um Tau zu verhindern. Kunstoff, Metall und Glas müssen gleichzeitig erwärmt werden. Dementsprechend ist eine höhere Leistung notwendig. Ich gehe aus Erfahrung von ca. 0,7Watt pro Zoll Filtergewinde(das entspricht in etwa auch dem Durchmesser des Objektivs an der Frontlinse) und nehme den Wert genauer als bei einer Taukappenheizung.

Nehmen wir das Tokina 11-16mm f/2,8 mit 77mm Filtergewinde.

77mm entsprechen ziemlich genau 3".

3" multipliziert mit 0,7Watt = 2,1Watt.
Bei 12V Akkuspannung entsprechen das nach R=U²:P gleich 69 Ohm und nach U:R = 174mA.

Das Objektiv hat hinter der Gegenlichtblende auf dem Fokusring einen Umfang von 24cm. Man muß nun versuchen auf 24cm mit mehreren Schleifen des Widerstandsdrahtes einen Widerstand von 69 Ohm zu erreichen. Ganz grob die Zahlen miteinander verglichen drängt sich der 63 Ohm Widerstandsdraht geradezu auf. Wieso? Ganz einfach: 2 Schleifen(also einmal vor und wieder zurück) a 24cm entsprechen 96cm länge. 96cm ist knapp ein Meter. 1 Meter mal 63 Ohm/m kommt da ziemlich genau hin. Rein rechnerisch erhält man so: 63 Ohm/m multipliziert mit 0,96m gleich 60,48 Ohm. Daraus folgt nach den Formeln in der Grafik, dass sich die Leistung von 2,1 Watt auf 2,3 Watt erhöht und damit auch der Strom von 174mA auf 198mA steigt. Paßt also ganz gut zusammen.

 - - -

Soweit zur rein theoretischen Berechnung der Heizleistung. Da ich nicht davon ausgehe, dass jeder der das hier liest ein Spezialist in Sachen Elektronik ist, hier noch ein paar einfache Zusammenhänge:

1. Bleibt die Spannung gleich und steigt der Widerstand, geht sowohl die Leistung als auch der Strom zurück. Sinkt der Widerstand, dann steigen Leistung und Strom.
2. Die rein theoretischen Werte werden nach Bau der Heizung NIE zu 100% übereinstimmen, dazu hat der Widerstandsdraht eine zu hohe Toleranz, man längt den Draht nie exakt auf das Maß ab und die fertige Heizung wird nie exakt die richtige Länge haben. Das ist in Ordnung so! Das wäre ja auch zu langweilig ...
3. Man kann mit den unterscheidlichen Widerstandswerten sehr flexibel auf die Gesamtlänge der Heizung eingehen. Man soll es aber nicht übertreiben mit der Heizleistung, da man sich sehr schnell hausgemachtes Seeing einhandelt oder anders herum die Leistung zu niedrig ist.
4. Unterschiedliche Widerstandswerte miteinander zu kombinieren ist irrsinnig. Siehe dazu Punkt 3.
5. Besonders die Objektivheizung wird bei einem Testlauf so richtig warm wenn man diese in der Hand hält. Keine Panik, das ist so gewollt und auch notwendig. Die Wärme wird letztlich nicht zu 100% an das Objektiv abgegeben, es geht auch sehr viel in die andere Richtung an die Umgebungsluft verloren. Wem dieser Verlußt zu hoch erscheint, kann einen Streifen Heizungstapete zur Isolation um die Heizung legen.


Wie baut man eine Taukappen- oder Objektivheizung?

Jetzt kommt der angenehme Teil - der Bau.
Als erstes braucht man von den Flauschband ein Stück, dass dem berechneten Wert entspricht und schneidet es 5cm länger ab. Man braucht ja auch etwas Platz um das Kabel zu befestigen. Das Flauschband wird mit je etwa 2cm Überstand und TESA auf der Tischplatte befestigt. Man sollte etwas von der Deckfolie zwischen der Klebeseite des Flauschbandes und dem TESA legen, damit man das TESA auch wieder runter bekommt. Der Klebstoff auf dem Klett- und Flauschband ist schon ziemlich heftig.
Die beiden Bilder im Anschluß zeigen bereits den Widerstandsdraht, der in einer einfachen Schleife auf den Flauschband aufgebraucht wurde. Dazu benutzt man am besten ein schräg geschnittenes Streichholz zum andrücken des Drahtes, während man die Rolle in der linken Hand hält. Man merkt sehr schnell, warum es so wichtig ist, das Flauschband fest auf der Tischplatte zu befestigen - das Streichholz bleibt es wenig an den Klebstoff hängen und hebt das Flauschband mit an.





Hier ein Beispiel für zwei Schlaufen auf dem Flauschband. Es ist sehr wichtig, dass man beim aufbringen des Drahtes vor allem Ruhe bewahrt. Der 100er und der 63er Widerstandsdraht sind schon recht filigran. Es ist nicht ganz so einfach den Draht ohne Schlaufen von der Rolle zu wickeln. Und Schlaufen im Draht sollten tunlichst vermieden werden, das gibt Sollbruchstellen. Keine Angst, der Draht ist stabiler als er ausschaut. Also schön mit der Ruhe ...



Man sollte den Draht schon an den Anfängen etwas weiter überstehen lassen. Um so einfacher ist es ihn an den Kabel zu verlöten. Der Widerstandsdraht ist mit PU beschichtet, daher die Farbe. Das Zeug muß vorher runter. Dazu heizt man den Lötkolben vor, nimmt ein wenig Lötzinn auf die Spitze und streicht damit über die Stellen, an denen später der Draht mit den Kabel verlötet werden soll. Wenn der Widerstandsdraht ein wenig nach Lötzinn glänzt sollte das PU runter gebrannt sein. Um den Draht einfacher mit den Enden des Kabel verlöten zu können, wird auf den Enden des Kabels Lötzinn aufgebracht, dieser erwärmt und der Widerstandsdraht hinein gezogen.





Ist der Draht mit den Kabel verbunden, mißt man mit dem Multimeter den Durchgang an den Kabelenden. Es kann leicht passieren, dass Reste des PUs einen richtigen Kontakt verhindern. Das ist schon ein wenig ärgerlich wenn man erst hinterher eine kalte Lötstelle feststellt.
Jetzt kommt der etwas fummelige Teil - das verkleben von Flausch- und Klettband. Auch hier gilt: keine Hektik! Verklebte Bänder lassen sich nur sehr schwer auseinander bringen und erst recht nicht nachträglich korrigieren. Am einfachsten ist es, mit der Kabelseite anzufangen. Das Klettband wird über das Kabel gelegt und angedrückt, bis ein paar Zentimeter des Widerstandsdrahtes ebenfalls mit verbunden sind. Die Schutzfolie dabei nur soweit abziehen, wie geklebt wird. Jetzt ist es nötig, beim weiteren verkleben die Rundung mit vorzugeben. Am besten benutzt man die Optik, die Taukappe oder den Tubus, an der die Heizung zum Einsatz kommen soll. Macht man das nicht und verklebt beide Teile auf den flachen Tisch, beginnt hinterher die Flauschseite(die zur Optik zeigen sollte) Falten zu werfen. Bei mir ist es dadurch Monate später zum Drahtbruch gekommen.



Damit sich das Kabel unter Belastung nicht aus den Klettband ziehen kann und damit den Kontakt mit den Widerstandsdraht verliert, habe ich mit einer spitzen Schere beidseitig des Kabels zwei Löcher durchgebohrt und das Kabel mit Draht fest mit den Klettband verzurrt.



Jetzt noch einen passenden Stecker an das Kabel und fertig ist das Teil. Die Polung ist dabei egal, es liegt ja nur ein Widerstand an. Wenn man jetzt nochmal am Stecker den Widerstand mißt, merkt man, was ich schon weiter oben geschrieben habe - Theorie und Praxis sind zwei verschiedene paar Schuhe.




Nachträgliche Hinweise und Tips:

Heizungssteuerung:
Die Frage die ich mir immer wieder stelle ist: "Wozu?". Um die Heizleistung steuern zu können braucht man eine PWM-Schaltung. Diese benötigt auch Strom. Ist die Heizleistung zu niedrig eingestellt, taut das Objektiv zu. Ist es zugetaut, muss die Leistung wieder erhöht werden und es dauert je nach Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Heizleistung recht lange, bis das Objektiv wieder frei ist. Es gibt nichts schlimmeres als eine beschlagene Optik, besonders in der Zeitraffer- und Astrofotografie. Die Fotosession muss unterbrochen werden und besonders die Zeitrafferserie wird durch die Unterbrechung unbrauchbar. Die Einstellung die gestern die Optik taufrei gehalten hat, kann heute infolge höherer Luftfeuchtigkeit zu niedrig sein. Wozu also herumexperimentieren mit der Gefahr, dass die Optik beschlägt?
Der Bau der hier beschriebenen Heizung ist mit weniger als 10 Euro machbar. Und sollte es sich wider erwartens herausstellen, dass die Heizleistung zu niedrig angesetzt war, der Bau einer neuen Heizung mit etwas höherer Leistung braucht nur etwa eine Stunde Zeit.

Stromversorgung
Wie oben mehrfach angedeutet benutze ich einen 12V Blei-Vlies-Akku(Panasonic LC-R124R5P) mit 4,5Ah für die Objektivheizung des Tokina 11-16mm f/2,8. Auch in einer acht Stunden Nacht im Winter ist die Kapazität vollkommen ausreichend. Als Ladegerät benutze ich das KFZ-Batterieladegerät ULGD 3.8A1 von Ultimate Speed, dass in regelmäßigen Abständen bei Lidl für 20 Euro erhältlich ist. Das ist ein Nachbau der bekannten CTEK-Automtikladegeräte, funktioniert super und dank der intelligenden Steuerung nahezu Bedienfehlerfrei.
Ich rate von LiPo-Akkus ab! Diese Teile sind zwar klein und leicht, aber sehr temperaturempfindlich, nicht schlagfest und erfordern eine spezielle Ladeelektronik. Berichte über Probleme mit diesen Dingern sind zuhauf im Internet zu finden.

 - - -

Ich hoffe, dass diese Anleitung auch für Unbedarfte verständlich genug ist, um sich an solche einfachen Basteleien zu trauen. Zu getaute Optiken gehören für mich schon sehr lange der Geschichte an.
Sollte irgendetwas nicht klar genug beschrieben sein, dann setz dich mit mir in Verbindung, ich ändere das dann entsprechend.

Viel Spaß beim Nachbau!
Mattse




Rechtliches(leider immer noch notwendig)
Die Gesetze zum Urheberrecht sind klar deffiniert, auch wenn viele inzwischen glauben, das Internet sei eine gesetzfreie Zone. Das "teilen" von fremden Inhalten IST eine Urheberrechtsverletzung. Die von mir erstellten Baupläne sind für private Nutzer frei nachbaubar. Eine kommerzielle Vermarktung von Geräten die auf diese Baupläne zurückzuführen sind, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung gestattet. Ich übernehme keine Haftung über Fehler beim Nachbau. Wer keine Ahnung davon hat was er tut, sollte seine Finger davon lassen. Ich lasse mich nicht dafür verantwortlich machen, wenn einer seine Bude abfackelt. Das gleiche gilt für das unerlaubte verlinken der verwendeten Bilder auf eigenen Webseiten, wenn schon verlinkt wird, dann bitte direkt auf diese Seite hier. Zugriffe auf auch nur einzelne Dateien kann ich auf dem Server nachvollziehen, in der Sache ist mein Provider sehr großzügig im Umgang mit Traffic-Verfolgung.