Как происходит управление скоростью вращения вентилятора?

Быстродействие современного компьютера достигается достаточно высокой ценой — блок питания, процессор, видеокарта зачастую нуждаются в интенсивном охлаждении. Специализированные системы охлаждения стоят дорого, поэтому на домашний компьютер обычно ставят несколько корпусных вентиляторов и кулеров (радиаторов с прикрепленными к ним вентиляторами).

Схема компьютерного кулера.

Получается эффективная и недорогая, но зачастую шумная система охлаждения. Для уменьшения уровня шума (при условии сохранения эффективности) нужна система управления скоростью вращения вентиляторов. Разного рода экзотические системы охлаждения рассматриваться не будут. Необходимо рассмотреть наиболее распространенные системы воздушного охлаждения.

Чтобы шума при работе вентиляторов было меньше без уменьшения эффективности охлаждения, желательно придерживаться следующих принципов:

1. Вентиляторы большого диаметра работают эффективнее, чем маленькие.
2. Максимальная эффективность охлаждения наблюдается у кулеров с тепловыми трубками.
3. Четырехконтактные вентиляторы предпочтительнее, чем трехконтактные.

Таблица сравнения водяного охлаждения с воздушным.

Основных причин, по которым наблюдается чрезмерный шум вентиляторов, может быть только две:

1. Плохая смазка подшипников. Устраняется чисткой и новой смазкой.
2. Двигатель вращается слишком быстро. Если возможно уменьшение этой скорости при сохранении допустимого уровня интенсивности охлаждения, то следует это сделать. Далее рассматриваются наиболее доступные и дешевые способы управления скоростью вращения.

Способы управления скоростью вращения вентилятора

Первый способ: переключение в BIOS функции, регулирующей работу вентиляторов

Функции Q-Fan control, Smart fan control и т. д. поддерживаемые частью материнских плат, увеличивают частоту вращения вентиляторов при возрастании нагрузки и уменьшают при ее падении. Нужно обратить внимание на способ такого управления скоростью вентилятора на примере Q-Fan control. Необходимо выполнить последовательность действий:

1. Войти в BIOS. Чаще всего для этого нужно перед загрузкой компьютера нажать клавишу «Delete». Если перед загрузкой в нижней части экрана вместо надписи «Press Del to enter Setup» появляется предложение нажать другую клавишу, сделайте это.
2. Открыть раздел «Power».
3. Перейти на строчку «Hardware Monitor».
4. Заменить на «Enabled» значение функций CPU Q-Fan control и Chassis Q-Fan Control в правой части экрана.
5. В появившихся строках CPU и Chassis Fan Profile выбрать один из трех уровней производительности: усиленный (Perfomans), тихий (Silent) и оптимальный (Optimal).
6. Нажав клавишу F10, сохранить выбранную настройку.

Продухи в фундаменте.
Особенности расчета вентиляции.
Аксонометрическая схема вентиляции. Подробнее>>

Второй способ: управление скоростью вентилятора методом переключения

Рисунок 1. Распределение напряжений на контактах.

Для большинства вентиляторов номинальным является напряжение в 12 В. При уменьшении этого напряжения число оборотов в единицу времени уменьшается — вентилятор вращается медленнее и меньше шумит. Можно воспользоваться этим обстоятельством, переключая вентилятор на несколько номиналов напряжения с помощью обыкновенного Molex-разъема.

Распределение напряжений на контактах этого разъема показано на рис. 1а. Получается, что с него можно снять три различных значения напряжений: 5 В, 7 В и 12 В.

Для обеспечения такого способа изменения скорости вращения вентилятора нужно:

1. Открыв корпус обесточенного компьютера, вынуть коннектор вентилятора из своего гнезда. Провода, идущие к вентилятору источника питания, проще выпаять из платы или просто перекусить.
2. Используя иголку или шило, освободить соответствующие ножки (чаще всего провод красного цвета — это плюс, а черного — минус) от разъема.
3. Подключить провода вентилятора к контактам Molex-разъема на требуемое напряжение (см. рис. 1б).

Двигатель с номинальной скоростью вращения 2000 об/мин при напряжении в 7 В будет давать в минуту 1300, при напряжении в 5 В — 900 оборотов. Двигатель с номиналом 3500 об/мин — 2200 и 1600 оборотов, соответственно.

Рисунок 2. Схема последовательного подключения двух одинаковых вентиляторов.

Частным случаем этого метода является последовательное подключение двух одинаковых вентиляторов с трехконтактными разъемами. На каждый из них приходится половина рабочего напряжения, и оба вращаются медленнее и меньше шумят.

Схема такого подключения показана на рис. 2. Разъем левого вентилятора подключается к материнке, как обычно.

На разъем правого устанавливается перемычка, которая фиксируется изолентой или скотчем.

Третий способ: регулировка скорости вращения вентилятора изменением величины питающего тока

Для ограничения скорости вращения вентилятора можно в цепь его питания последовательно включить постоянные или переменные резисторы. Последние к тому же позволяют плавно менять скорость вращения. Выбирая такую конструкцию, не следует забывать о ее минусах:

1. Резисторы греются, бесполезно затрачивая электроэнергию и внося свою лепту в процесс разогрева всей конструкции.
2. Характеристики электродвигателя в различных режимах могут очень сильно отличаться, для каждого из них необходимы резисторы с разными параметрами.
3. Мощность рассеяния резисторов должна быть достаточно большой.

Рисунок 3. Электронная схема регулировки частоты вращения.

Рациональнее применить электронную схему регулировки частоты вращения. Ее несложный вариант показан на рис. 3. Эта схема представляет собой стабилизатор с возможностью регулировки выходного напряжения. На вход микросхемы DA1 (КР142ЕН5А) подается напряжение в 12 В. На 8-усиленный выход транзистором VT1 подается сигнал с ее же выхода. Уровень этого сигнала можно регулировать переменным резистором R2. В качестве R1 лучше использовать подстроечный резистор.

Если ток нагрузки не более 0,2 А (один вентилятор), микросхема КР142ЕН5А может быть использована без теплоотвода. При его наличии выходной ток может достигать значения 3 А. На входе схемы желательно включить керамический конденсатор небольшой емкости.

Четвертый способ: регулировка скорости вращения вентилятора с помощью реобаса

Реобас — электронное устройство, которое позволяет плавно менять напряжение, подаваемое на вентиляторы.

В результате плавно изменяется скорость их вращения. Проще всего приобрести готовый реобас. Вставляется обычно в отсек 5,25”. Недостаток, пожалуй, лишь один: устройство стоит дорого.

Устройства, описанные в предыдущем разделе, на самом деле являются реобасами, допускающими лишь ручное управление. К тому же, если в качестве регулятора используется резистор, двигатель может и не запуститься, поскольку ограничивается величина тока в момент пуска. В идеале полноценный реобас должен обеспечить:

1. Бесперебойный запуск двигателей.
2. Управление скоростью вращения ротора не только в ручном, но и в автоматическом режиме. При увеличении температуры охлаждаемого устройства скорость вращения должна возрастать и наоборот.

Сравнительно несложная схема, соответствующая этим условиям, представлена на рис. 4. Имея соответствующие навыки, ее возможно изготовить своими руками.

Изменение напряжения питания вентиляторов осуществляется в импульсном режиме. Коммутация осуществляется с помощью мощных полевых транзисторов, сопротивление каналов которых в открытом состоянии близко к нулю. Поэтому запуск двигателей происходит без затруднений. Наибольшая частота вращения тоже не будет ограничена.

Работает предлагаемая схема так: в начальный момент кулер, осуществляющий охлаждение процессора, работает на минимальной скорости, а при нагреве до некоторой максимально допустимой температуры переключается на предельный режим охлаждения. При снижении температуры процессора реобас снова переводит кулер на минимальную скорость. Остальные вентиляторы поддерживают установленный вручную режим.

Рисунок 4. Схема регулировки с помощью реобаса.

Основа узла, осуществляющего управление работой компьютерных вентиляторов, интегральный таймер DA3 и полевой транзистор VT3. На основе таймера собран импульсный генератор с частотой следования импульсов 10-15 Гц. Скважность этих импульсов можно менять с помощью подстроечного резистора R5, входящего в состав времязадающей RC-цепочки R5-С2. Благодаря этому можно плавно изменять скорость вращения вентиляторов при сохранении необходимой величины тока в момент пуска.

Конденсатор C6 осуществляет сглаживание импульсов, благодаря чему роторы двигателей вращаются мягче, не издавая щелчков. Подключаются эти вентиляторы к выходу XP2.

Основой аналогичного узла управления процессорным кулером являются микросхема DA2 и полевой транзистор VT2. Отличие только в том, что при появлении на выходе операционного усилителя DA1 напряжения оно, благодаря диодам VD5 и VD6, накладывается на выходное напряжение таймера DA2. В результате VT2 полностью открывается и вентилятор кулера начинает вращаться максимально быстро.

Как датчик температуры процессора используется кремниевый транзистор VT1, который приклеивают к радиатору процессора. Операционный усилитель DA1 работает в триггерном режиме. Переключение осуществляется сигналом, снимаемым с коллектора VT1. Точка переключения устанавливается переменным резистором R7.

VT1 может быть заменен маломощными n-p-n транзисторами на основе кремния, имеющими коэффициент усиления более 100. Заменой для VT2 и VT3 могут служить транзисторы IRF640 или IRF644. Конденсатор С3 — пленочный, остальные — электролитические. Диоды — любые маломощные импульсные.

Настройка собранного реобаса осуществляется в последовательности:

1. Ползунки резисторов R7, R4 и R5 поворачиваются по часовой стрелке до упора, кулеры подключаются к разъемам XP1 и XP2.
2. На разъем ХР1 подается напряжение в 12 В. Если все в порядке, все вентиляторы начинают вращаться с максимальной скоростью.
3. Медленным вращением движков резисторов R4 и R5 подбирается такая скорость, когда исчезает гул, а остается лишь звук перемещающегося воздуха.
4. Транзистор VT1 нагревается приблизительно до 40-45° С, а движок резистора R7 поворачивается влево до тех пор, пока кулер не переключится на максимальную скорость. Спустя примерно минуту после окончания нагрева значение скорости должно упасть до первоначального.

Собранный и настроенный реобас устанавливается в системный блок, к нему подключаются кулеры и температурный датчик VT1. Хотя бы первое время после его установки желательно осуществлять периодический мониторинг температуры узлов компьютера. Программы для этого (в том числе и бесплатные) не проблема.

Остается надеяться, что среди описанных способов уменьшения шума компьютерной системы охлаждения каждый пользователь сможет найти для себя наиболее подходящий.