Конструируем систему охлаждения компьютера. Порядок подключения вентилятора к блоку питания компьютера — инструкция и распиновка кулера Выводы кулера
Однажды принесли 120мм вентилятор SUNON KDE1212PMB1… Вентилятор довольно специфический (мощный), а прибор довольно критичный к обдуву — в магазинах аналогичного такого не нашлось — попросили попробовать реанимировать.
На наклейке написано 6.8 ватт… Забегая наперед — китайский мультиметр намерял при работающем агрегате потребляемый ток более полу ампера, что похоже примерно соответствует заявленной мощности.
Жалоба собственно — не стартует, дергается, притом в разные стороны. Имея некоторые теоретические познания о работе бесколлекторных двигателей постоянного тока (а именно такой тип двигателей применяется в чуть менее чем всех кулерах), решил попробовать разобраться…
О снятии стопорной шайбы с оси крыльчатки с кольцевым магнитом писать не буду — процедура известна наверное каждому, кто когда-нибудь пытался почистить/смазать гудящий вентилятор любимого компьютера. Перейду сразу к «препарированию».
Подобрав из подручных средств подходящие приспособления, выбил из пластмассового основания вентилятора механизм со статором и платой управления… На фото пластмассового основания виден типа цилиндр из лепестков — был приятно удивлен — конструкция позволила разобрать узел без необратимых последствий.
А это вид «в профиль» основной части — статора с обмотками, платы управления, а прямо на нас смотрит важный элемент — датчик Холла, дающий сигнал о положении ротора.
Вот вид на плату со стороны основных компонентов — тот факт что блок собран на дискретных компонентах, только подогрел интерес:
Итак, видны…. Два N-канальных ключа 3055E (8А 60В), затворы которых через резисторы-«нулёвки» подключены к микросхеме с маркировкой 6406, являющейся центральным управляющим компонентом.
Даташит (полное название SK6406) называет её «2-phase dc-fan motor pre-driver ic». Среди функционала — motor lock protection, auto-restart, rotation detection signal output.
Выводы H+ и H- — входы дифф. усилителя сигнала с датчика холла, OUT1 и OUT2 — выходы управления затворами транзисторов, коммутирующих ток в обмотках статора. CT — подключаемый сюда конденсатор определяет периодичность попыток старта вентилятора. Вывод RD или FG (есть два варианта микросхемы) есть линией сигнала, показывающего либо заблокированность вентилятора, либо сигнала пропорционального частоте вращения. В данном экземпляре вентилятора сигнал не использован, хотя на печатной плате видна разводка под него.
Диаграмма поясняет поведение микросхемы:
В даташите также приведена типовая схема включения, реальная схема ей практически соответствует. Нет правда диодов — вернее их роль выполняют встроенные в ключи диоды.
(Снизу платы правда есть диод 1N4002 — стоит в линии питания и можно сказать защищает от переполюсовки… Также снизу есть размещенный по схеме после диода небольшой электролитический конденсатор 4.7Мкф 63V , в качестве фильтра питания.)
Резистор R1 (позиционное обозначение по схеме из даташита) на плате 1K (маркировка 102), R2 — 100 Ом (101). Сама микросхема драйвера запитана через резистор 510 Ом (маркировка 511)
Так выглядит статор с обмотками. Обмотки намотаны проводами разного цвета. Удобно.
Теперь, после ознакомления со схемой и устройством, перейдем к поиску неисправности. После подачи питания на плату наблюдаем импульсы на выводе OUT1 — через одну из обмоток идет ток, всё как по-настоящему, двигатель по-идее должен запуститься. По логике, далее должен следовать импульс на OUT2, потом снова OUT1 и т.д. Но для этого драйвер должен узнать что ротор провернулся. А дает ему такой сигнал датчик холла, подключенный к выводам H+ и H-.
Типов датчиков Холла есть несколько, информация о их принципах работы достаточно легко гуглится — вкратце выходной сигнал датчика зависит от наличия/изменения магнитного поля. Проследив печатные проводники данного датчика, становимся вольтметром на дифф. выход (H+ и H-, 1-й и 3-й вывод) и смотрим, поднося к датчику магнит. Получилось что при поднесении магнита одним полюсом — имеем пару десятков милливольт одной полярности, другим полюсом — дугой полярности. То есть датчик работает! (есть датчики с различными типами выходного сигнала, часто сигнал имеет TTL-уровень и одной полярности. Кстати, встречал информацию что у датчика такого типа как в этом двигателе в некотором роде «взаимозаменяемые» выводы — можно на 1 и 3 например подать питание — тогда выходом будет потенциал между 2 и 4. А можно как на плате — 2 и 4 питание — тогда 1 и 3 — сигнал. Не проверял данную информацию. В принципе незачем 🙂 Еще, в двигателях попроще часто в корпусе вместе с датчиком холла расположены и коммутаторы обмоток — вся схема тогда состоит из 4-хвыводного корпуса и собственно обмоток).
Поднося для проверки датчика магнит к нему — попутно замечаем появление импульсов на OUT2. То есть схема оказалась вполне работоспособна…. В итоге собираю, несколько подгибаю датчик поближе к магнитному кольцу — и «взлет»! Вентилятор работает, мощность впечатляющая, все счастливы. (так и не понял почему датчик перестал срабатывать — то ли механически «отогнулся», то ли магнит «подразмагнитился» …. В общем такое вот «вскрытие» получилось с неожиданным но позитивным финалом.
В данной схеме управление вентилятором или кулером системы охлаждения происходит по сигналу термистора в течении заданного периода времени. Схема простая, собрана всего на трех транзисторах.
Эта система управления может быть использована в самых разных областях жизни, где необходимо охлаждение посредством вентилятора, например, охлаждения материнской платы ПК, в усилителях звука, в мощных блоках питания и в иных устройствах, которые в ходе своей работы могут перегреваться. Система представляет собой сочетание двух устройств: таймера и термореле.
Описание работы схемы управления вентилятором
Когда температура низкая, сопротивление термистора высокое и, следовательно, первый транзистор закрыт, потому что на его базе напряжение ниже 0,6 вольт. В это время конденсатор на 100 мкФ разряжен. Второй PNP-транзистор так же закрыт, поскольку напряжение на базе равно напряжению на его эмиттере. И третий транзистор так же заперт.
При повышении температуры, сопротивление термистора уменьшается. Таким образом, напряжение на базе первого транзистора увеличивается. Когда это напряжение превысит 0,6 В, первый транзистор начинает пропускать ток заряжая конденсатор 100 мкФ и подает отрицательный потенциал на базу второго транзистора, который открывается и включает третий транзистор, который в свою очередь активирует реле.
После того, как вентилятор включается, температура уменьшается, но конденсатор 100 мкФ разряжается постепенно, сохраняя работу вентилятора в течение некоторого времени после того, как температура приходит в норму.
Подстроичный резистор (показан на схеме как 10 ком) должен иметь значение сопротивления около 10% от сопротивления термистора при 25 градусах. Термистор применен марки EPCOS NTC B57164K104J на 100 кОм. Таким образом, сопротивление подстрочного резистора (10%) получается 10 кОм. Если вы не можете найти эту модель можно использовать другой. Например, при использовании термистора 470 кОм сопротивление подстроичного составит 47 кОм.
Схема подключения вентилятора с питанием от 12 вольт.
Схема подключения вентилятора с питанием от 220 вольт
В печатной плате можно увидеть два подстроичных резистора. Первый на 10 кОм для регулирования порога срабатывания вентилятора, второй на 1 мОм позволяет регулировать время работы после нормализации температуры. Если вам нужен больший интервал времени, то конденсатор на 100 мкФ можно увеличить до 470 мкФ. Диод 1N4005 используется для защиты транзистора от индуктивных выбросов в реле.
Простому блоку питания нужен “умный вентилятор”, который охлаждает радиатор 317-й микросхемы. Причем не «тупой», который крутится постоянно, создавая лишний шум и пожирая лишнюю энергию, а такой, который работает ровно столько, сколько нужно, включаясь тогда, когда нужно. Вентилятор позволяет сэкономить на радиаторе – а стало быть, на размерах корпуса блока питания. В наш век компьютеров, вентилятор подходящих размеров добыть не проблема.
А вот управлять его работой – другой вопрос, с которым я и столкнулся.
Можно соорудить схему управления вентилятором на микроконтроллере. Нужен датчик температуры, ШИМ и программа управления. Казалось бы: что может быть проще с точки зрения схемотехники?
Но тут в дело вступает простая экономика. Самый дешевый из распространенных микроконтроллеров, нужный для этих целей – это ATTiny13. Он стоит недорого, но стОит. И где его взять колхознику? Далее: его ШИМ нужно усилить полевиком, который тоже стоит денег на рынке, недоступном для замкадовца… И самое главное: микроконтроллеру на вход, чтоб все было безупречно, надо подключить датчик температуры 1wire типа DS18B20. А он тоже стоит денег. И крепить на радиатор его неудобно. Если все эти «стоит» просуммировать, получится приличная сумма.
И тут я вспомнил о своем «аналоговом» прошлом, и помог мне в этом мой старый товарищ по радиолюбительству. Простой усилитель на составном транзисторе обеспечит мои нужды в управлении мотором вентилятора. Составной транзистор можно собрать из двух биполярных советских транзисторов, коих масса в старой теле- аудиоаппаратуре.
А вот где взять аналоговый датчик температуры, да такой, за которым не надо ехать на радиорынок и платить за него деньги? Причем, этот датчик (в отличие от DS18B20 и простых термосопротивлений) должен обеспечивать БЕСПРОБЛЕМНОЕ крепление к радиатору микросхем БП, при этом имея максимальный тепловой контакт с этим самым радиатором. Тут пришлось «покумекать» самому.
Поиски в Интернете привели к использованию в этом качестве советских транзисторов серии КТ81… Эксперименты с ними дали неутешительные результаты. И тут мой взгляд упал на выпаянные из дохлых компьютерных БП сборки диодов Шоттки. Тип, оказавшийся у меня – PHOTRON PSR10C40CT. Я замерил сопротивление двух встречно включенных диодов, и оказалось, что оно крайне зависимо от температуры.
В результате, я построил такую схему:
Вход схемы подключается к выпрямительному мосту БП. В зависимости от настройки, вентилятор может включаться даже при изменении температуры корпуса диодной сборки от комнатной до температуры пальцев человека. Прикрутить такой «датчик» к радитору БП не представляет проблем: сборка имеет отверстие для крепежа под винт М3 и нехилую площадь теплового контакта с радиатором.
Напряжение на входе схемы не должно превышать максимально допустимое напряжение микросхемы-стабилизатора. Настройка сводится к изменению сопротивления подстроечного резистора при выбранной температуре так, чтобы вентилятор начал вращаться. При повышении температуры, частота вращения будет увеличиваться.
Вот из этих радиоэлементов я собирал свою схему:
Слева направо:
– подстроечный резистор
– трехвыводный стабилизатор напряжения LM7815
– диодная сборка PSR10C40CT
– транзистор КТ815В
– транзистор BC547
На все это выглядит вот так:
А посмотрев вот это видео, можно сразу понять принцип работы собранного устройства:
В процессе реанимации и модернизации усилителя Солнцева пришлось избавиться от громоздкого блока питания выполненного на трансформаторе ТС-180. Был изготовлен импульсный блок питания на IR2153 мощностью 200 Вт. Однако в процессе эксплуатации при снимаемой мощности порядка 130 Вт был выявлен нагрев импульсного трансформатора. Не критичный, но все же присутствовал. Кроме того, достаточно заметно грелись стабилизаторы L7815, L7915. Установить большие радиаторы не позволял плотный монтаж на плате.
Для устранения данного эффекта решил применить кулер. Выбор остановился на малогабаритном вентиляторе мощность 0,96 Вт при питании 12 вольт и токе потребления 0,08 А. Так как трансформаторный БП для него будет иметь неприемлемые массогабаритные размеры, решил собрать с гасящим конденсатором.
Схема
Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:
где f — частота сети (50 Гц); С —емкость конденсатора С1, Ф. Тогда выходной ток источника можно приблизительно определить так:
где Uc — напряжение сети (220 В).
При токе потребления 0,08 А емкость С1 должна иметь номинал 1,2 мкф. Ее увеличение позволит подключить нагрузку с большим током потребления. Приблизительно можно ориентироваться на 0,06 А на каждую микрофараду емкости С1. У меня под рукой оказался 2,2 мкф на 400 вольт.
Резистор R1 служит для разряда конденсатора после выключения БП. Особых требований к нему нет. Номинал 330 кОм - 1 Мом. Мощность 0,5 - 2 Вт. В моем случае 620 кОм 2 Вт.
Конденсатор С2 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного мостом напряжения. Номинал от 220 мкф до 1000 мкф с рабочим напряжением не менее 25 вольт. Мною был установлен 470 мкф на напряжение 25 вольт.
В качестве выпрямительных диодов применены 1N4007 из отработавшей свое энергосберегающей лампы.
Стабилитрон (12 Вольт) служит для стабилизации выходного напряжения и его заменой можно добиться практического любого необходимого напряжения на выходе БП.
При сборке схемы следует иметь ввиду, что подключение вентилятора следует выполнить безошибочно изначально. Ошибка в неправильной полярности припаивания проводов вентилятора приведет к выходу вентилятора из строя. А само подключение (припаивание) следует выполнить, заранее, поскольку напряжение на холостом ходу в точках присоединения вентилятора может составлять 50-100 вольт. Если полярность безошибочна (красный провод, это плюсовая шина питания), то при включении в сеть 220 В на вентиляторе будет примерно +12 вольт.
Печатная плата выполнена методом ЛУТ. Травление проводилось перекисью водорода, лимонной кислотой и поваренной солью из расчета 50 мл перекиси, 2 ч.л. кислоты и чайная ложка соли.
В дополнение привожу схему (может кому понадобится) регулировки частоты вращения вентилятора.
По сути, это регулятор напряжения, подаваемого на двигатель вентилятора. Изменение напряжения приводит к изменению частоты вращения вентилятора. В схему специально введён постоянный резистор R2, назначение которого ограничить минимальные обороты вентилятора, для того, чтобы даже при самых низких оборотах, т.е. при самом низком напряжении, обеспечить его надёжный запуск.
Кулер для процессора или CPU cooler относится к числу компонентов персонального компьютера, на которые значительная часть пользователей не обращает особого внимания. Более того, вполне возможно, что многие пользователи, наверное, и не знают о существовании подобного компонента. Между тем, процессорный кулер вряд ли заслуживает столь пренебрежительного отношения, поскольку его функция в системном блоке достаточно важна. Можно сказать, что без этого вспомогательного устройства невозможно функционирование сердца компьютера – центрального процессора.
Не секрет, что одной из основных особенностей работы центрального процессора является значительное выделение им тепла. Такое свойство процессора вполне естественно, ведь ему приходится трудиться «в поте лица», обрабатывая в долю секунды огромное количество данных и выполняя одновременно миллиарды операций. Как следствие, через кристалл процессора протекает значительный электрический ток, вызывающий его большой тепловой нагрев.
Следовательно, если процессор специально не охлаждать, то его температура его будет постоянно расти. Однако процессор не может нагреваться выше определенной величины, поскольку это может привести к выходу его из строя. Кроме того, постоянное воздействие высокой температуры может отрицательно сказаться на работоспособности и долговечности процессора.
Поэтому для охлаждения процессора и удержания его температуры в безопасных пределах применяются устройства охлаждения. Устройства охлаждения обычно делятся на пассивные и активные. Пассивные охладители отводят тепло от источника и рассеивают его в пространстве. Примером пассивного охладителя является радиатор. Однако недостаток охлаждающих устройств подобного типа состоит в том, что они не используют приток холодной среды в зону выделения тепла. Последний способ применяется в активных охлаждающих устройствах.
Радиаторы - как пример пассивного охлаждения процессора.
Примером подобного устройства является вентилятор для процессора, или, как также часто его называют, кулер. А если взять отдельно сам вентилятор, то его можно отнести к числу наиболее распространенных охлаждающих устройств в компьютере. Сфера его применения включает не только охлаждение центрального процессора, но и охлаждение других интенсивно выделяющих тепло компонентов, таких, как блок питания, графическая карта, винчестер, чипсет материнской платы и т.д. Основные достоинства вентилятора – простота конструкции, невысокая стоимость и достаточно высокая надежность.
Как правило, большинство процессоров оснащается их производителями штатными кулерами. Однако подобные охлаждающие устройства имеют довольно средние характеристики, и поэтому в некоторых случаях для того, чтобы обеспечить достаточное охлаждение центрального процессора, пользователю может потребоваться более эффективный процессорный кулер, чем штатный.
Принцип работы
Название «кулер» происходит от английского слова «cooler» – охладитель. Между тем, далеко не всякое охлаждающее устройство можно отнести к разряду кулеров. Обычно кулером в компьютерной терминологии называют охлаждающее устройство, главным компонентом которого является вентилятор. Часто кулером называют сам по себе охлаждающий вентилятор, хотя, строго говоря, кулером на самом деле является комбинация вентилятора и радиатора. Таким образом, кулер использует как активный, так и пассивный методы охлаждения.
Радиаторы представляют собой устройства, сделанные из металла, обладающего высокой тепловодностью, например, алюминия. Существуют также кулеры из меди, обладающей еще более высокой тепловодностью, чем алюминий, однако медные радиаторы дороже и встречаются реже. Одной из основных особенностей радиатора является его сложный профиль. Как правило, радиатор состоит множества металлических пластин, расположенных параллельно или под углом друг другу. Благодаря этому радиатор имеет большую площадь поверхности, что также способствует интенсивному рассеиванию тепла. Кроме того, в радиаторе обычно можно выделить две части – основание, которое непосредственно соприкасается с процессором и основную охлаждающую секцию.
Также существуют кулеры, которые используют для отвода тепла не только радиатор, но и специальные алюминиевые или медные трубки, в которых находится некоторое количество охлаждающей жидкости. Принцип работы трубок состоит в том, что жидкость, имеющая низкую температуру кипения, испаряется в области интенсивного поступления тепла, забирая при этом большое количество энергии, а затем отдает тепло, конденсируясь в холодной области кулера, обдуваемой вентилятором. Данная конструкция охлаждающего устройства пришла в компьютерный обиход из области промышленных охлаждающих систем. Хотя еще не так давно кулеры, использующие тепловые трубки, казались экзотическими устройствами, но в настоящий момент они занимают значительную часть рынка. Существует два основных типа кулеров с охлаждающими трубками – кулеры, в которых трубки граничат непосредственно с поверхностью процессора, и кулеры, в которых трубки впаяны в радиатор, но не касаются поверхности процессора непосредственно.
Пример дизайна радиатора с тепловыми трубками приведен ниже:
Кулер с охлаждающими трубками соприкасающимися с поверхностью CPU (слева) и впаянными в радиатор без соприкосновения с процессором (справа)
Несмотря на большое значение радиатора, вентилятор является не менее важным составным элементом кулера для процессора. Он предназначен для создания мощного воздушного потока, благодаря которому осуществляется отвод теплого, прошедшего через радиатор, воздуха во внутреннее пространство системного блока. Обычно тепловой поток, создаваемый вентилятором, имеет направление, совпадающее с осью его вращения, но существуют и вентиляторы, создающие радиальный, то есть, перпендикулярный оси вращения поток. Подобные вентиляторы называются бловерами. На сегодняшний день также нередко можно встретить кулер, имеющий не один, а сразу несколько вентиляторов.
Вентилятор процессорного кулера:
Бловер и кулер создающий радиальный поток воздуха охлаждающий процессор
Подключение кулера
Для подключения кулера к материнской плате используется расположенный на ней специальный разъем. Через этот разъем поступает питание, вращающее вентилятор. Кроме того, разъем может иметь одну или две вспомогательные линии данных. Разъем для кулера, в зависимости от типа материнской платы, может иметь 2, 3 или 4 контакта.
Кратко остановимся на особенностях, которыми обладает каждый разъем. Двухконтактный разъем поддерживает лишь линии питания, которым соответствуют черный и красный провод в кабеле вентилятора. Трехконтактный разъем означает, что присутствует еще одна дополнительной линия управления, предназначенная для контроля скорости вращения кулера. Четырехконтактный разъем поддерживает еще одну линию – линию управления скоростью вращения вентилятора методом PWM. Как правило, современные материнские платы имеют именно четырехконтактный разъем, хотя в него можно включать и вентиляторы, имеющие кабели с меньшим количеством проводов.
Устанавливается кулер, точнее говоря, радиатор кулера на верхнюю крышку процессора. Обычно между радиатором и процессором пролегает слой специальной проводящей пасты – так называемой термопасты. Предназначение термопасты – обеспечить плотное прилегание основания радиатора к поверхности процессора и предотвратить появление воздушных полостей между этими устройствами. Сверху, а иногда и сбоку от радиатора устанавливается вентилятор. Для крепления кулера к материнской плате используются специальные защелки и зажимы, а во многих случаях – винты.
Основные параметры кулера
Главным требованием, которое предъявляется к кулеру, является его способность осуществлять эффективное охлаждение центрального процессора. Как правило, для определения эффективности работы кулера используют такой параметр, как тепловое или термическое сопротивление. Этот параметр определяет количество градусов, на которое повысится температура процессора, при выделении им ватта тепловой энергии. Из этого можно понять, что чем ниже термическое сопротивление кулера, тем лучшую охлаждающую способность он имеет, и, как следствие, тем ниже будет температура кристалла процессора, на который он установлен. Стоит правда, иметь в виду, что кулер, имеющий высокое термическое сопротивление, не обязательно является низкокачественным, он просто может быть рассчитан на процессор с относительно низким тепловыделением.
Однако термическое сопротивление не является единственным критерием, характеризующим эффективность и качество кулера. Также хороший кулер должен по возможности обладать следующими свойствами:
- Совместимость c большим количеством типов процессоров.
- Наличие надежного и легко снимающегося крепления к процессору.
- Высокая износостойкость и долговечность.
- Низкий уровень вибрации и шума.
- Небольшие габариты и малый вес.
Также при выборе кулера следует обратить внимание на то, поддерживает ли он регулировку скорости вращения в зависимости от нагрузки процессора. Эта возможность позволяет значительно снизить уровень шума, производимого вентилятором кулера. На данный момент большинство кулерных вентиляторов оснащено подобной функцией.
Настройка параметров кулера в BIOS
Практически в любой современной БИОС существуют опции, связанные с различными параметрами работы вентиляторов. Это могут быть как чисто информационные опции, подобные опции , которая показывает скорость вращения вентилятора, так и опции позволяющие регулировать параметры кулера, в частности, скорость его вращения. Существуют опции, например, которые позволяют задать скорость кулера косвенным путем, при помощи привязки ее к определенной температуре центрального процессора.
Во многих БИОС можно найти также опции типа CPU Smart FAN Mode, которые позволяют выбрать тип управления вращения вентилятором – при помощи изменения напряжения или посредством прямого регулирования скорости.
Заключение
CPU cooler – это одно из важнейших вспомогательных устройств компьютера, без которого была бы невозможна его нормальная работа. Как правило, кулер представляет собой комбинацию мощного охлаждающего вентилятора, который можно подключить к любой материнской плате через специальный разъем, и радиатора, изготовленного из металла с высокой тепловодностью – меди или алюминия. Главное назначение кулера – охлаждение центрального процессора и обеспечение нормального температурного режима его функционирования. Поэтому качеством, надежностью и эффективностью кулера ни в коем случае не стоит пренебрегать.