Управление скоростью вращения компьютерного вентилятора

Введение

Управление скоростью вращения компьютерного вентилятора

Управление вентилятором – это регулирование скорости вращения электрического вентилятора. В компьютерах используются различные типы компьютерных вентиляторов для обеспечения достаточного охлаждения, а различные механизмы управления вентиляторами позволяют сбалансировать их производительность охлаждения и уровень создаваемого ими шума. Обычно это реализуется посредством аппаратных схем мониторинга, встроенных в материнские платы, которые могут быть настроены конечным пользователем через BIOS или другое программное обеспечение для управления вентиляторами.

Необходимость управления вентилятором

По мере того, как современные ПК становятся всё более мощными, растут и их требования к электропитанию. Компьютеры рассеивают эту электроэнергию в виде тепла, выделяемого всеми основными компонентами. Количество выделяемого тепла зависит от нагрузки на систему: периоды интенсивных вычислений генерируют значительно больше тепла, чем время простоя. Процессоры в большинстве ранних компьютеров на базе x86, вплоть до некоторых моделей 486, не требовали активного охлаждения. Блоки питания нуждались в принудительном охлаждении, а вентиляторы блока питания также обеспечивали циркуляцию охлаждающего воздуха по всему ПК в соответствии со стандартом ATX. Увеличение тепловыделения приводит к тому, что вентиляторам необходимо перемещать всё больший объём воздуха, и, следовательно, они должны быть более производительными. Поскольку им приходится прогонять больше воздуха через ту же площадь, вентиляторы становятся более шумными. Вентиляторы, установленные в корпусе ПК, могут создавать уровень шума до 70 дБ. Поскольку шум вентилятора увеличивается в пятой степени от скорости его вращения, даже небольшое снижение оборотов в минуту (RPM) может существенно уменьшить шум. Это следует делать осторожно, поскольку чрезмерное снижение скорости может привести к перегреву и повреждению компонентов. При правильном подходе шум вентиляторов можно значительно снизить.

Термостатический

В этом режиме управления вентилятором вентилятор работает либо на полную мощность, либо выключен. Температура внутри корпуса контролируется, и если обнаружена температура за допустимыми пределами, вентиляторы включаются на максимальную скорость. Когда температура снова опускается ниже заданного значения, вентиляторы отключаются. Этот метод управления снижает уровень шума и энергопотребление в периоды невысокой нагрузки, но при работе системы на пределе возможностей шум вентилятора может стать проблемой снова.

Линейная регулировка напряжения

Стандартный охлаждающий вентилятор представляет собой двигатель постоянного тока с прикреплёнными лопастями. Изменяя входное напряжение в допустимом диапазоне для данного вентилятора, можно увеличить (при увеличении напряжения) и уменьшить (при уменьшении напряжения) его скорость; более высокая скорость вращения означает больший поток воздуха и, следовательно, более интенсивный теплообмен. Существует несколько способов реализации этого регулирования, которые описаны ниже.

Резисторы

Резисторы, включенные последовательно с силовым контактом вентилятора, – самый простой способ снизить шум вентилятора, но они увеличивают тепловыделение внутри корпуса компьютера. Поскольку падение напряжения пропорционально току, вентилятор может не запуститься. Необходимо использовать резисторы с соответствующей мощностью рассеяния. Для регулировки скорости вращения вентилятора можно использовать потенциометры в сочетании с транзистором, например, MOSFET, выходное напряжение которого управляется потенциометром. Также можно использовать реостат.

Диоды

Диод, включенный последовательно с вентилятором, уменьшит выходное напряжение, подаваемое на вентилятор. Кремниевый диод обеспечивает относительно постоянное падение напряжения около 0,7 В на каждый диод; в документации на конкретный диод указывается его падение напряжения, например, для кремниевого диода 1N4001 падение напряжения изменяется примерно от 0,7 до 0,9 В при изменении тока от 0,01 до 1 А. Необходимо учитывать номинальную мощность, и для работы некоторых диодов при номинальном токе может потребоваться охлаждение. Падение напряжения на диоде уменьшается с повышением температуры, что приводит к увеличению скорости вращения вентилятора. Как и другие последовательные регуляторы, диод рассеивает мощность, равную произведению падения напряжения на проходящий через него ток.

Модификация напряжения ("модификация напряжения")

Напряжение, получаемое вентилятором охлаждения компьютера, определяется разностью между напряжением на проводе +12 В и напряжением на проводе заземления (+0 В). Подключение одного или обоих проводов к другому напряжению приведет к изменению напряжения, подаваемого на вентилятор, по сравнению со стандартными 12 В, для которых он был разработан. Увеличение напряжения выше 12 В можно достичь, например, подключив линию питания -12 В или -5 В вместо провода заземления в разъеме вентилятора, или подключив линию питания 5 В к входу +12 В в разъеме вентилятора. С помощью этой процедуры можно получить напряжения 10, 17 и 24 В, однако напряжения, превышающие 12 В, могут потенциально повредить 12-вольтовые вентиляторы. Тем не менее, тот факт, что современные блоки питания больше не обязаны обеспечивать линию питания -5 В, и ограниченная мощность линии -12 В (обычно менее 1 А) снижают общую производительность вентиляторов с измененным напряжением в современных системах. Подключение линии питания +5 В к входу +12 В вентилятора снижает напряжение, подаваемое на вентилятор, до +5 В. Некоторые вентиляторы вообще не будут работать при таком низком напряжении, в то время как другие могут начать вращаться при достижении разумной скорости. Другой способ снижения скорости вентилятора – переместить провод 5 В в классическом разъеме питания Molex на место провода заземления, идущего к вентилятору, тем самым подавая на вентилятор +7 В (12 В - 5 В = 7 В). Однако это потенциально рискованный метод, поскольку линия +5 В блока питания предназначена только для отдачи тока, а не для его потребления, поэтому блок питания, скорее всего, выйдет из строя, если нагрузка на линию 5 В будет ниже нагрузки, создаваемой 7-вольтовыми вентиляторами (например, при переходе ПК в режим ожидания или сна). Кроме того, компоненты внутри компьютера, использующие питание +5 В, могут подвергнуться воздействию напряжения выше 5 В в случае короткого замыкания в вентиляторе.

Регуляторы с интегральными или дискретными линейными элементами

Общие интегральные схемы регулятора напряжения, такие как популярная серия LM78xx, иногда используются для обеспечения переменного или постоянного напряжения вентиляторов. При тепловом контакте с корпусом компьютера одна из этих микросхем может обеспечивать ток до 1 А при напряжении 6, 8, 9 или 10 В для LM7806, LM7808, LM7809 и LM7810 соответственно. Существуют также регулируемые версии, такие как популярный LM317; в сочетании с потенциометром эти регулируемые регуляторы позволяют пользователю изменять скорость вращения нескольких вентиляторов при токах, значительно превышающих возможности стандартного потенциометра. Для больших токов дискретные линейные регуляторы относительно просты в изготовлении с использованием силового транзистора или MOSFET и малосигнального транзистора или диода Зенера в качестве источника опорного напряжения. Хотя дискретные регуляторы требуют дополнительных компонентов (минимум два транзистора, три резистора и небольшой конденсатор), они обеспечивают возможность работы с произвольно большими токами, позволяя регулировать питание дополнительных вентиляторов и аксессуаров. Как и в случае с другими линейными регуляторами, выделяемое тепло будет примерно .

Модуляция ширины импульса

Модуляция ширины импульса (PWM) — распространенный метод управления компьютерными вентиляторами. Вентилятор с поддержкой PWM обычно подключается к 4-контактному разъему (расположение контактов: Ground, +12 В, sense, control). Контакт sense используется для передачи информации о скорости вращения вентилятора, а контакт control представляет собой выход с открытым коллектором или открытым стоком, требующий подтяжки к 5 В или 3,3 В на стороне вентилятора. В отличие от линейной регулировки напряжения, где напряжение на вентиляторе пропорционально скорости, вентилятор питается постоянным напряжением; управление скоростью осуществляется самим вентилятором на основе управляющего сигнала. Управляющий сигнал представляет собой прямоугольную волну с частотой 25 кГц, при этом скважность определяет скорость вращения вентилятора. Частота 25 кГц выбрана для того, чтобы вывести звук сигнала за пределы диапазона человеческого слуха; использование более низкой частоты может привести к слышимому гулу или свисту. Обычно вентилятор может работать в диапазоне от 30% до 100% от номинальной скорости, используя сигнал со скважностью до 100%. Точное поведение скорости при низких уровнях управления (линейное, отключение до порогового значения или минимальная скорость до порогового значения) зависит от производителя. Многие материнские платы оснащены прошивкой и программным обеспечением, которые регулируют эти вентиляторы в зависимости от температуры процессора и корпуса компьютера.

Регуляторы скорости вентилятора

Другой метод, популярный среди энтузиастов компьютерного железа, — это ручной регулятор скорости вращения вентиляторов. Их можно установить в слот расширения, отсек для 5,25-дюймового или 3,5-дюймового накопителя, или они могут быть встроены в корпус компьютера. С помощью переключателей или регуляторов скорость подключенных вентиляторов можно регулировать одним из описанных выше способов.

Оборудование

Большинство современных материнских плат оснащены чипами аппаратного мониторинга, способными осуществлять управление вентиляторами, как правило, методом ШИМ (PWM), как описано выше. Эти чипы можно настроить через BIOS или с помощью специализированного программного обеспечения после загрузки операционной системы. Процессоры выделяют различное количество тепла в зависимости от системной нагрузки, поэтому логично снижать скорость вращения вентиляторов в режиме простоя для уменьшения шума, создаваемого вентиляторами, работающими на полной скорости, до тех пор, пока нагрузка не возрастет, и тогда скорость вентиляторов необходимо оперативно регулировать, чтобы избежать перегрева. Современные чипы аппаратного мониторинга, после настройки, способны самостоятельно выполнять этот цикл мониторинга без необходимости функционирующего BIOS или операционной системы. Этот автоматический режим управления, предлагаемый некоторыми чипами, может называться режимом Thermal Cruise для поддержания теплового пакета, а также режимом Fan Speed Cruise для автоматического поддержания заданной скорости вращения вентилятора. Однако не все программное обеспечение способно получить доступ к расширенным параметрам конфигурации, предоставляемым некоторыми чипами, и часто стандартное программное обеспечение реализует лишь базовое взаимодействие с чипами, а именно, явную установку скважности для каждой настройки управления вентилятором, с последующим программным изменением скважности, что требует постоянной работы операционной системы и этого стороннего программного обеспечения на центральном процессоре для выполнения цикла мониторинга. Это может не вызывать проблем до тех пор, пока система или утилита не завершат работу, после чего система может перегреться из-за неспособности вентиляторов поддерживать достаточный уровень охлаждения при пониженном напряжении и скорости вращения.

Программное обеспечение

Многие компании сейчас предоставляют программное обеспечение для управления скоростью вращения вентиляторов на своих материнских платах под управлением Microsoft Windows или Mac OS X/MacOS. Различное программное обеспечение используется для разных материнских плат. Существуют также сторонние программы, которые работают с широким спектром материнских плат и обеспечивают широкие возможности настройки поведения вентиляторов в зависимости от показаний температуры, получаемых с датчиков материнской платы, процессора и видеокарты, а также позволяют осуществлять ручное управление. Две такие программы – SpeedFan и Argus Monitor.