Воздушные системы охлаждения

Posted in Компоненты ПК, Система охлаждения | Комментариев нет

Как уже отмечалось, для уменьшения теплового сопротивления кулеры оснаща­ются вентиляторами. Конечно же, вентиляторы используются не только вкупе с радиаторами, но и отдельно для создания принудительной конвекции воздуха внутри системного блока (или блока питания).

воздушные системы охлаждения

Основу всех современных венти­ляторов, используемых в ПК, составляет двигатель постоянного тока с напряже­нием питания 12 В. Кроме двигателя, в вентиляторе имеется схема управления, которая индуцирует вращающееся магнитное поле, в результате чего приводится в движение ротор двигателя. Схема управления вентилятором может включать в се­бя и тахометрический контроль для мониторинга скорости вращения, и цепи за­щиты детектирования остановки вентилятора, и даже термодатчик для контроля температуры радиатора.

Вентиляторы могут быть выполнены на подшипниках скольжения (sleeve bearing) и подшипниках качения (ball bearing). Используются также комбинированные схемы из одного подшипника скольжения и одного подшипника качения. Кроме того, могут использоваться два подшипника качения.

Вентиляторы на основе подшипников скольжения  наиболее просты в из­готовлении и дешевы. Однако они довольно шумные, а срок их эксплуатации не­долог. Причем со временем уровень шума, создаваемого таким подшипником, только увеличивается.

Вентиляторы на основе подшипников качения  дороже, но и качественнее. Во-первых, они надежнее в работе, а во-вторых, значительно менее шумные по сравнению с подшипниками скольжения. Все вентиляторы так называемых бес­шумных серий (Silent Series) основаны именно на подшипниках качения.

Кроме типов используемых подшипников и особенностей схем контроля работы двигателя, вентиляторы характеризуются производительностью, скоростью вра­щения, типоразмером и уровнем шума.

Производительность вентилятора Q является его важнейшей технической харак­теристикой и определяет объем воздуха, прокачиваемый вентилятором в единицу времени. Производительность вентилятора принято выражать в кубических футах в минуту (Cubic Feet per Minute, CFM). Типичные значения производительности вентиляторов — от 10 до 50 CFM.

Скорость вращения вентилятора измеряется в оборотах в минуту (Rotations Per Minute, RPM). Производительность вентилятора непосредственно связана со скоростью вращения: чем быстрее вращается вентилятор, тем больший воздуш­ный поток он создает. Типичные значения скорости вращения вентиляторов — от 1000 до 5000 об/мин.

По типоразмеру наиболее распространены вентиляторы 60 х 60, 80 х 80, 92 х 92 и 120 х 120 мм. Понятно, что чем больше размер вентилятора, тем выше его произ­водительность. То есть если сравнить, к примеру, 120- и 80-миллиметровый вен­тиляторы, то при равной скорости вращения производительность 120-миллимет­рового вентилятора будет выше.

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик вентиляторов является уровень создаваемого ими шума. Уровень шума вентиляторов выражается в деци­белах по фильтру А (дБА) (фильтр А учитывает особенность восприятия звука человеческим ухом на разных частотах). Отметим, что человек воспринимает звук, начиная с 30 дБА, а типичное значение шума, создаваемого современными венти­ляторами, лежит в диапазоне от 32 до 50 дБА.

Уровень шума вентилятора напрямую зависит от скорости его вращения. Наиболее тихими являются именно 120-миллиметровые вентиляторы, поскольку для созда­ния требуемого воздушного потока они могут вращаться с более низкой скоростью, чем вентиляторы меньшего типоразмера.

Расчет воздушного потока, необходимого для теплоотвода заданной мощности

Как уже было отмечено, для создания эффективной системы теплоотвода от ис­точников тепла (микросхем) используются радиаторы, кулеры и вентиляторы. Однако до сих пор мы рассматривали задачи теплоотвода от отдельно взятых эле­ментов. В реальных условиях все источники тепла находятся внутри одного сис­темного блока и рассеивание тепловой мощности отдельными компонентами ПК происходит именно в корпус системного блока. Если не предусмотреть мер по отводу тепла из корпуса ПК, температура в корпусе будет постепенно увеличивать­ся, что приведет к уменьшению эффективности теплоотвода от отдельных микро­схем и их перегреву. Наиболее распространенный способ отвода тепла из корпуса системного блока заключается в создании с помощью вентиляторов воздушного потока через корпус ПК. Чем больше тепловая мощность, рассеиваемая всеми компонентами компьютера, тем больший воздушный поток потребуется для отво­да тепла.

Например, если все устройства внутри корпуса рассеивают максимальную тепло­вую мощность 300 Вт, температура снаружи корпуса составляет 25 °С, а внут­ри — 45 °С, то необходимый для этого воздушный поток должен быть равен 26,4 CFM.

Характеристическая кривая вентилятора

Рассмотренная нами производительность вентилятора является его идеализиро­ванной характеристикой и к реальной характеристике имеет лишь косвенное от­ношение. Если вентилятор устанавливается в корпус системного блока, его произ­водительность будет отличаться от заявленной в технической документации.

Дело в том, что указываемая в документации производительность вентилятора рассчитывается в идеальных условиях отсутствия сопротивления создаваемому им воздушному потоку. В реальных условиях на пути воздушного потока, фор­мируемого вентилятором, всегда существуют препятствия, которые приводят к уменьшению объема воздуха, прокачиваемого через вентилятор в единицу времени, и увеличению разницы между давлением воздушного потока, форми­руемого вентилятором, и давлением в окружающей среде (атмосферным давле­нием).

Разница между давлением воздушного потока, формируемого вентилятором, и ат­мосферным давлением называется статическим давлением Ар. Понятно, что между производительностью вентилятора и статическим давлением его воздушного по­тока существует взаимосвязь. То есть можно сказать, что статическое давление является функцией производительности вентилятора.

Эта функция носит название характеристической кривой, или расходной характе­ристики вентилятора. Характеристические кривые получают в результате лабо­раторных исследований вентиляторов в специальных камерах (flow bench).

Воздушный поток Q, создаваемый тестируемым вентилятором, нагнетается в воз­душную камеру и, проходя через перфорированные экраны, необходимые для создания ламинарного потока, и форсунку, попадает в вытяжное устройство. Вытяжное устройство вместе с регулятором воздушного потока позволяют кон­тролировать воздушный поток, проходящий через камеру.

Форсунка и перфорированные экраны необходимы для определения воздушного потока, который рассчитывается по разнице давлений в воздушных камерах до и по­сле форсунки.

Законы вентилятора

Очевидно, что статическое давление, создаваемое вентилятором, формируемый им воздушный поток, уровень шума и потребляемая его мотором электрическая мощ­ность зависят от таких характеристик, как скорость вращения и диаметр вентиля­тора. Законы, связывающие эти величины друг с другом, носят название законов вентилятора.

Импеданс системного блока

Знания только лишь производительности вентилятора и даже его характеристи­ческой кривой еще недостаточно для расчета создаваемого им воздушного потока в корпусе системного блока. В результате того, что корпус является препятствием на пути формируемого вентилятором воздушного потока, значение объемной ско­рости воздушного потока Q будет всегда ниже максимальной производительности вентилятора. Чтобы оценить, как именно корпус влияет на уменьшение воздуш­ного потока, вводят понятие импеданса корпуса. Импеданс корпуса определяется с использованием той же самой камеры, которая используется для снятия харак­теристических кривых вентилятора. Разница заключается в том, что теперь воз­душный поток создается вытяжным устройством с регулятором воздушного пото­ка, а сам корпус является препятствием на пути воздушного потока. В результате в первичной воздушной камере давление воздуха р_х будет ниже атмосферного.

Использование нескольких вентиляторов в корпусе

Рассмотренный нами вариант нахождения рабочей точки относился к случаю, когда в системном блоке имеется всего один вентилятор, формирующий воздушный поток. В реальных корпусах для формирования воздушного потока может исполь­зоваться несколько вентиляторов. Например, вентилятор может устанавливаться на вдув на передней панели корпуса и на выдув на задней панели. Кроме того, многие корпуса допускают параллельную установку двух вентиляторов на перед­ней и задней панелях корпуса, а также установку вентиляторов на боковой и верх­ней панелях.

При всем разнообразии вариантов установки вентиляторов внутри системного блока все случаи можно свести к рассмотрению двух базовых вариантов располо­жения вентиляторов: параллельному и последовательному.

Параллельное расположение вентиляторов

Под параллельным мы будем понимать такое расположение вентиляторов, когда они находятся рядом друг с другом и работают на вдув или, наоборот, на выдув. Если предположить, что используются одинаковые вентиляторы, то формируемый ими максимальный воздушный поток Q (случай открытого пространства) будет в два раза выше, чем воздушный поток одного вентилятора. В то же время два па­раллельно установленных одинаковых вентилятора создадут максимальное стати­ческое давление, точно такое же, как и один вентилятор. Чтобы это понять, представим себе вентилятор, нагнетающий воздух в закрытую камеру. При неко­тором (максимальном для данного вентилятора) давлении в камере воздушный поток, формируемый вентилятором, станет равным нулю, то есть вентилятор будет просто поддерживать давление в камере, но более не сможет нагнетать в камеру воздух. Если при этом подключить параллельно второй такой же вентилятор, то он, испытывая на себе точно такое же давление, также не сможет нагнетать воздух в камеру и будет лишь поддерживать в ней давление. Поэтому два параллельно соединенных одинаковых вентилятора создают в два раза больший воздушный поток в открытом пространстве, но одно и то же статическое давление. Если известна характеристическая кривая одного вентилятора, то приблизительно можно построить кривую для двух параллельных вентиляторов.

Использование параллельного расположения вентиляторов для увеличения воздушного потока имеет смысл только в случае корпуса с низким импедансом. Если же используется корпус с высоким импедансом, то параллельное расположение вентиляторов неэффективно и для достижения большего воздуш­ного потока желательно применить более производительный вентилятор или же последовательное расположение вентиляторов.

Последовательное расположение вентиляторов

Под последовательным мы будем понимать такое расположение вентиляторов, когда они находятся друг за другом и одновременно работают на вдув или на выдув.

Если предположить, что используются одинаковые вентиляторы, то формируемый ими максимальный воздушный поток Q (на открытом пространстве) будет точно такой же, как и воздушный поток одного вентилятора. В то же время два последо­вательно установленных одинаковых вентилятора создадут максимальное стати­ческое давление  в два раза больше, чем один вентилятор. Действительно, представим себе вентилятор в открытом пространстве, формирующий воздушный поток Q. Если последовательно с ним расположить второй такой же вентилятор, то объем воздуха, прокачиваемый в единицу времени первым вентилятором, по­ступает на вход второго вентилятора, и, следовательно, два последовательных вентилятора будут прокачивать в единицу времени такой же объем воздуха, как и один вентилятор. Если же последовательно расположенные вентиляторы нагне­тают воздух в закрытую камеру, то максимальное давление в камере, при котором формируемый ими воздушный поток станет равным нулю, будет в два раза выше, чем в случае одного вентилятора. Действительно, в случае одного вентилятора создаваемое статическое давление определяется разницей давления в камере и внеш­него (атмосферного) давления. Если же располагаются последовательно два вен­тилятора, то для второго из них внешним будет уже не атмосферное давление, а дав­ление на выходе первого вентилятора.

Если известна характеристическая кривая одного вентилятора, то приблизитель­но можно построить такую кривую для двух последовательных вентиляторов.

Использование последовательного расположения вентиля­торов для увеличения воздушного потока имеет смысл только в случае корпуса с вы­соким импедансом. Если же используется корпус с низким импедансом, то после­довательное расположение вентиляторов неэффективно и, как было показано, для достижения большего воздушного потока желательно использовать параллельное расположение вентиляторов.

Последовательным можно считать такое расположение вентиляторов, когда один вентилятор установлен на передней панели корпуса и работает на вдув, а вто­рой — на задней панели корпуса и работает на выдув. Однако эффективность та­кого расположения вентиляторов для увеличения воздушного потока может ока­заться не слишком высокой, особенно если используются корпуса с низким импедансом. Поэтому во многих случаях вполне достаточно только вентилятора на задней панели корпуса.

Технологии управления скоростью вращения вентиляторов

Как уже неоднократно отмечалось, современные производительные процессоры нуждаются в эффективной системе теплоотвода. Особенно это касается процессо­ров Intel, которые рассеивают более 100 Вт тепловой мощности. Однако мощные кулеры, которые используются для охлаждения процессоров, создают и высокий уровень шума. Соответственно, кроме проблемы охлаждения процессоров, столь же остро стоит проблема снижения уровня шума. Идеи, заложенные в технологии энергосбережения и снижения тепловыделения, можно использовать и для сниже­ния уровня шума систем охлаждения. Поскольку тепловыделение (а следовательно,
и температура) процессора зависит от его загрузки, а при использовании техноло­гий энергосбережения — и от его текущей тактовой частоты и напряжения питания, в периоды слабой активности процессора он остывает. Соответственно, нет не­обходимости постоянно охлаждать процессор с одинаковой интенсивностью. То есть интенсивность воздушного охлаждения, определяемая скоростью враще­ния вентилятора кулера процессора, должна зависеть от текущей температуры процессора.

Существуют два основных способа динамического управления скоростью вращения вентиляторов, реализуемых на современных материнских платах:

1. управление по постоянному току (DC);

2. управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения (PWM).

Управление по постоянному току

В технологии управления по постоянному току меняется уровень постоянного напряжения, подаваемого на электромотор вентилятора. Диапазон изменения напряжения может составлять от 6 до 12 В и зависит от конкретной материнской платы.

Данная схема управления скоростью вращения вентилятора достаточно проста: контроллер на материнской плате, анализируя текущее значение температуры процессора (через встроенный в процессор термодатчик), выставляет нужное значение напряжения питания вентилятора. До определенного значения темпе­ратуры процессора напряжение питания минимальное, а следовательно, и венти­лятор вращается на минимальных оборотах и создает минимальный уровень шума. Как только температура процессора достигает некоторого порогового значения, напряжение питания вентилятора начинает динамически меняться вплоть до максимального значения в зависимости от температуры. Соответствен­но меняется и скорость вращения вентилятора, и уровень создаваемого шума.

Рассмотренная технология динамического управления скоростью вращения вен­тилятора реализована на всех современных материнских платах (как для процес­соров Intel, так и для AMD). Для ее реализации необходимо установить соот­ветствующую схему управления в BIOS материнской платы и использовать трехконтактный вентилятор. Отметим, что большинство процессорных кулеров являются именно трехконтактными. Два контакта — это напряжение питания вентилятора, а третий контакт — это сигнал тахометра, формируемый самим вен­тилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения вентиля­тора. Сигнал тахометра представляет собой прямоугольные импульсы напряжения, причем за один оборот вентилятора формируются два импульса напряжения. Зная частоту следования импульсов тахометра, можно определить скорость вращения вентилятора. Например, если частота импульсов тахометра составляет 100 Гц (100 импульсов в секунду), то скорость вращения вентилятора равна 50 об/с, или 3000 об/мин.

Управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения

Альтернативной технологией динамического управления скоростью вращения вентилятора кулера процессора является широтно-импульсная модуляция (Pulse Wide Modulation, PWM) напряжения питания вентилятора.

Идея достаточно проста: вместо того чтобы изменять амплитуду напряжения пи­тания вентилятора, напряжение подают на вентилятор импульсами определенной длительности. Амплитуда импульсов напряжения и частота их следования неиз­менны, меняется только их длительность. Фактически вентилятор периодически включают и выключают. Подобрав частоту следования импульсов и их длитель­ность, можно управлять скоростью вращения вентилятора. Действительно, по­скольку вентилятор обладает определенной инертностью, он не может мгновенно раскрутиться и остановиться.

ПРИМЕЧАНИЕ

Данный тип управления поддерживается только материнскими платами для процессоров Intel.

PWM-контроллер в зависимости от текущей температуры процессора формирует последовательность импульсов напряжения с определенной скважностью. Однако это еще не импульсы напряжения, которые подаются на электродвигатель вентилятора. Последовательность импульсов, формируемая PWM-контроллером, ис­пользуется для управления электронным ключом (транзистором), отвечающим за подачу напряжения (12 В) на электродвигатель.

Кулеры, поддерживающие PWM-управление, должны быть четырехконтактными. При этом два контакта необходимы для подачи напряжения 12 В, третий кон­такт — это сигнал тахометра, формируемый самим вентилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения, а четвертый контакт используется для связи с PWM-контроллером.

Как уже отмечалось, при широтно-импульсной модуляции напряжения для изме­нения скорости вращения вентилятора меняется скважность импульсов, но не частота их следования. Типичная минимально возможная скважность импульсов составляет 30 %, а максимально возможная — 100 %, что соответствует постоян­ному напряжению на вентиляторе. Частота следования PWM-импульсов равна от 21 до 25 кГц (типичное значение 23 кГц), то есть в течение одной секунды вен­тилятор включается и отключается приблизительно 23 ООО раз!

Скважность PWM-импульсов определяется текущей температурой процессора. Если она ниже некоторого порогового значения, скважность импульсов минималь­на. При этом вентилятор будет вращаться на минимальной скорости и издавать минимальный уровень шума. При превышении температуры процессора порого­вого значения скважность импульсов начинает линейно меняться с температурой, увеличиваясь вплоть до 100 %. Соответственно и скорость вращения вентилятора, как и уровень создаваемого им шума, будет изменяться в зависимости от темпера­туры процессора.

В заключение отметим, что для реализации PWM-управления скоростью вращения кулера необходимо активировать данный режим управления в BIOS материнской платы.