Управляем вентилятором в компьютере - кулером (термоконтроль - на практике)
Тем, кто использует компьютер каждый день (и особенно каждую ночь), очень близка идея Silent PC. Этой теме посвящено много публикаций, однако на сегодняшний день проблема шума, производимого компьютером, далека от решения. Одним из главных источников шума в компьютере является процессорный кулер.
При использовании программных средств охлаждения, таких как CpuIdle, Waterfall и прочих, или же при работе в операционных системах Windows NT/2000/XP и Windows 98SE средняя температура процессора в Idle-режиме значительно понижается. Однако вентилятор кулера этого не знает и продолжает трудиться в полную силу с максимальным уровнем шума. Конечно, существуют специальные утилиты (SpeedFan, например), которые умеют управлять оборотами вентиляторов. Однако работают такие программы далеко не на всех материнских платах. Но даже если и работают, то, можно сказать, не очень разумно. Так, на этапе загрузки компьютера даже при относительно холодном процессоре вентилятор работает на своих максимальных оборотах.
Выход из положения на самом деле прост: для управления оборотами крыльчатки вентилятора можно соорудить аналоговый регулятор с отдельным термодатчиком, закрепленным на радиаторе кулера. Вообще говоря, существует бесчисленное множество схемотехнических решений для таких терморегуляторов. Но нашего внимания заслуживают две наиболее простых схемы термоконтроля, с которыми мы сейчас и разберемся.
Описание
Если кулер не имеет выхода таходатчика (или же этот выход просто не
используется), можно построить самую простую схему, которая содержит
минимальное количество деталей (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема первого варианта терморегулятора
Ещё со времен "четверок" использовался регулятор, собранный по такой схеме. Построен он на основе микросхемы компаратора LM311 (отечественный аналог — КР554СА3). Несмотря на то, что применен компаратор, регулятор обеспечивает линейное, а не ключевое регулирование. Может возникнуть резонный вопрос: "Как так получилось, что для линейного регулирования применяется компаратор, а не операционный усилитель?". Ну, причин этому есть несколько. Во-первых, данный компаратор имеет относительно мощный выход с открытым коллектором, что позволяет подключать к нему вентилятор без дополнительных транзисторов. Во-вторых, благодаря тому, что входной каскад построен на p-n-p транзисторах, которые включены по схеме с общим коллектором, даже при однополярном питании можно работать с низкими входными напряжениями, находящимися практически на потенциале земли. Так, при использовании диода в качестве термодатчика нужно работать при потенциалах входов всего 0.7 В, что не позволяют большинство операционных усилителей. В-третьих, любой компаратор можно охватить отрицательной обратной связью, тогда он будет работать так, как работают операционные усилители (кстати, именно такое включение и использовано).
В качестве датчика температуры очень часто применяют диоды. У кремниевого диода p-n переход имеет температурный коэффициент напряжения примерно -2.3 мВ/°C, а прямое падение напряжения — порядка 0.7 В. Большинство диодов имеют корпус, совсем неподходящий для их закрепления на радиаторе. В то же время некоторые транзисторы специально приспособлены для этого. Одними из таких являются отечественные транзисторы КТ814 и КТ815. Если подобный транзистор привинтить к радиатору, коллектор транзистора окажется с ним электрически соединенным. Чтобы избежать неприятностей, в схеме, где этот транзистор используется, коллектор должен быть заземлен. Исходя из этого, для нашего термодатчика нужен p-n-p транзистор, например, КТ814.
Можно, конечно, просто использовать один из переходов транзистора как диод. Но здесь мы можем проявить смекалку и поступить более хитро :) Дело в том, что температурный коэффициент у диода относительно низкий, а измерять маленькие изменения напряжения достаточно тяжело. Тут вмешиваются и шумы, и помехи, и нестабильность питающего напряжения. Поэтому часто, для того чтобы повысить температурный коэффициент датчика температуры, используют цепочку последовательно включенных диодов. У такой цепочки температурный коэффициент и прямое падение напряжения увеличиваются пропорционально количеству включенных диодов. Но ведь у нас не диод, а целый транзистор! Действительно, добавив всего два резистора, можно соорудить на транзисторе двухполюсник, поведение которого будет эквивалентно поведению цепочки диодов. Что и сделано в описываемом терморегуляторе.
Температурный коэффициент такого датчика определяется отношением резисторов R2 и R3 и равен Tcvd*(R3/R2+1), где Tcvd — температурный коэффициент одного p-n перехода. Повышать отношение резисторов до бесконечности нельзя, так как вместе с температурным коэффициентом растет и прямое падение напряжения, которое запросто может достигнуть напряжения питания, и тогда схема работать уже не будет. В описываемом регуляторе температурный коэффициент выбран равным примерно -20 мВ/°C, при этом прямое падение напряжения составляет около 6 В.
Датчик температуры VT1R2R3 включен в измерительный мост, который образован резисторами R1, R4, R5, R6. Питается мост от параметрического стабилизатора напряжения VD1R7. Необходимость применения стабилизатора вызвана тем, что напряжение питания +12 В внутри компьютера довольно нестабильное (в импульсном источнике питания осуществляется лишь групповая стабилизация выходных уровней +5 В и +12 В).
Напряжение разбаланса измерительного моста прикладывается к входам компаратора, который используется в линейном режиме благодаря действию отрицательной обратной связи. Подстроечный резистор R5 позволяет смещать регулировочную характеристику, а изменение номинала резистора обратной связи R8 позволяет менять ее наклон. Емкости C1 и C2 обеспечивают устойчивость регулятора.
Смонтирован регулятор на макетной плате, которая представляет собой кусочек одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис.2).
Рис. 2. Монтажная схема первого варианта терморегулятора
Для уменьшения габаритов платы желательно использовать SMD-элементы. Хотя, в принципе, можно обойтись и обычными элементами. Плата закрепляется на радиаторе кулера с помощью винта крепления транзистора VT1. Для этого в радиаторе следует проделать отверстие, в котором желательно нарезать резьбу М3. В крайнем случае, можно использовать винт и гайку. При выборе места на радиаторе для закрепления платы нужно позаботиться о доступности подстроечного резистора, когда радиатор будет находиться внутри компьютера. Таким способом можно прикрепить плату только к радиаторам "классической" конструкции, а вот крепление ее к радиаторам цилиндрической формы (например, как у Orb-ов) может вызвать проблемы. Хороший тепловой контакт с радиатором должен иметь только транзистор термодатчика. Поэтому если вся плата целиком не умещается на радиаторе, можно ограничится установкой на нем одного транзистора, который в этом случае подключают к плате с помощью проводов. Саму плату можно расположить в любом удобном месте. Закрепить транзистор на радиаторе несложно, можно даже просто вставить его между ребер, обеспечив тепловой контакт с помощью теплопроводящей пасты. Еще одним способом крепления является применение клея с хорошей теплопроводностью.
При установке транзистора термодатчика на радиатор, последний оказывается соединенным с землей. Но на практике это не вызывает особых затруднений, по крайней мере, в системах с процессорами Celeron и PentiumIII (часть их кристалла, соприкасающаяся с радиатором, не имеет электрической проводимости).
Электрически плата включается в разрыв проводов вентилятора. При желании можно даже установить разъемы, чтобы не разрезать провода. Правильно собранная схема практически не требует настройки: нужно лишь подстроечным резистором R5 установить требуемую частоту вращения крыльчатки вентилятора, соответствующую текущей температуре. На практике у каждого конкретного вентилятора существует минимальное напряжение питания, при котором начинает вращаться крыльчатка. Настраивая регулятор, можно добиться вращения вентилятора на минимально возможных оборотах при температуре радиатора, скажем, близкой к окружающей. Тем не менее, учитывая то, что тепловое сопротивление разных радиаторов сильно отличается, может потребоваться корректировка наклона характеристики регулирования. Наклон характеристики задается номиналом резистора R8. Номинал резистора может лежать в пределах от 100 К до 1 М. Чем больше этот номинал, тем при более низкой температуре радиатора вентилятор будет достигать максимальных оборотов. На практике очень часто загрузка процессора составляет считанные проценты. Это наблюдается, например, при работе в текстовых редакторах. При использовании программного кулера в такие моменты вентилятор может работать на значительно сниженных оборотах. Именно это и должен обеспечивать регулятор. Однако при увеличении загрузки процессора его температура поднимается, и регулятор должен постепенно поднять напряжение питания вентилятора до максимального, не допустив перегрева процессора. Температура радиатора, когда достигаются полные обороты вентилятора, не должна быть очень высокой. Конкретные рекомендации дать сложно, но, по крайней мере, эта температура должна "отставать" на 5 — 10 градусов от критической, когда уже нарушается стабильность системы.
Да, еще один момент. Первое включение схемы желательно производить от какого-либо внешнего источника питания. Иначе, в случае наличия в схеме короткого замыкания, подключение схемы к разъему материнской платы может вызвать ее повреждение.
Теперь второй вариант схемы. Если вентилятор оборудован таходатчиком, то уже нельзя включать регулирующий транзистор в "земляной" провод вентилятора. Поэтому внутренний транзистор компаратора здесь не подходит. В этом случае требуется дополнительный транзистор, который будет производить регулирование по цепи +12 В вентилятора. В принципе, можно было просто немного доработать схему на компараторе, но для разнообразия была сделана схема, собранная на транзисторах, которая оказалась по объему даже меньше (рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема второго варианта терморегулятора
Принципиальные схемы этих двух вариантов терморегулятора имеют много
общего. В частности, датчик температуры и измерительный мост совершенно
идентичны. Разница заключается лишь в усилителе напряжения разбаланса
моста. Во втором варианте это напряжение поступает на каскад на
транзисторе VT2. База транзистора является инвертирующим входом
усилителя, а эмиттер — неинвертирующим. Далее сигнал поступает на второй
усилительный каскад на транзисторе VT3, затем на выходной каскад на
транзисторе VT4. Назначение емкостей такое же, как и в первом варианте.
Ну, а монтажная схема регулятора показана на рис. 5.
Рис. 5. Монтажная схема второго варианта терморегулятора
Конструкция аналогична первому варианту, за исключением того, что плата имеет немного меньшие размеры. В схеме можно применить обычные (не SMD) элементы, а транзисторы — любые маломощные, так как ток, потребляемый вентиляторами, обычно не превышает 100 мА. Замечу, что эту схему можно использовать и для управления вентиляторами с большим значением потребляемого тока, но в этом случае транзистор VT4 необходимо заменить на более мощный. Что же касается вывода тахометра, то сигнал тахогенератора TG напрямую проходит через плату регулятора и поступает на разъем материнской платы. Методика настройки второго варианта регулятора ничем не отличается от методики, приведенной для первого варианта. Только в этом варианте настройку производят подстроечным резистором R7, а наклон характеристики задается номиналом резистора R12.
Выводы
Практическое использование терморегулятора (совместно с программными средствами охлаждения) показало его высокую эффективность в плане снижения шума, производимого кулером. Однако и сам кулер должен быть достаточно эффективным. Например, в системе с процессором Celeron566, работающем на частоте 850 МГц, боксовый кулер уже не обеспечивал достаточной эффективности охлаждения, поэтому даже при средней загрузке процессора регулятор поднимал напряжение питания кулера до максимального значения. Ситуация исправилась после замены вентилятора на более производительный, с увеличенным диаметром лопастей. Сейчас полные обороты вентилятор набирает только при длительной работе процессора с практически 100% загрузкой.
