leoniv.diod.club

Управляем кулером

Тем, кто использует компьютер каждый день (и особенно каждую ночь:-)), близка идея Silent PC. Этой теме посвящено много публикаций, однако на сегодняшний день проблема шума, создаваемого компьютером, не решена. Одним из источников шума является кулер процессора. Используя программные кулеры, например, CpuIdle или встроенные в Windows-98SE, Windows-2000 и Windows NT, можно значительно снизить среднюю температуру процессора. Однако кулер этого не знает и продолжает трудиться на полную мощность. Существуют специальные программные продукты, например SpeedFan, которые умеют управлять оборотами кулера. Однако далеко не на всех материнских платах такие программы работают. Ди и управляют они не очень умно. Например, при большой загрузке компьютера даже при абсолютно холодном процессоре кулер работает на своих максимальных оборотах. Выход из положения прост. Для управления оборотами кулера нужно соорудить аналоговый регулятор с отдельным термодатчиком, закрепленным на радиаторе процессора. Возможно множество различных схемотехнических решений таких регуляторов. Внимания заслуживают наиболее простые из них.

Если кулер не имеет выхода таходатчика, или если этот выход не используется, можно построить самую простую схему, которая содержит минимальное количество деталей (рис. 1.).

Рис. 1. Принципиальная схема первого варианта регулятора.

Ещё со времен 486-х процессоров использовался регулятор, собранный по этой схеме. Построен он на основе микросхемы компаратора LM311 (отечественный аналог - КР554СА3). Несмотря на то, что применен компаратор, регулятор обеспечивает линейное, а не ключевое регулирование. Тогда может возникнуть вопрос, зачем компаратор? Есть причины. 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 с общим коллектором, даже при однополярном питании можно работать с низкими входными напряжениями, находящимися практически на потенциале земли. Например, при использовании в качестве термодатчика диода нужно работать при потенциалах входов всего 0.7 В. Большинство операционных усилителей этого не позволяют. В-третьих, любой компаратор можно охватить отрицательной обратной связью, тогда он будет работать так, как работают операционные усилители. Именно такое включение и использовано.

В качестве датчика температуры очень часто применяют диоды. У кремниевого диода p-n переход имеет температурный коэффициент примерно -2.3 мв/°C, а прямое падение напряжения - порядка 0.7 В. Большинство диодов имеют корпус, не подходящий для крепления на радиаторе. В то время как некоторые транзисторы специально приспособлены для этого. Одними из таких транзисторов являются отечественные транзисторы КТ814 и КТ815. Если подобный транзистор привинтить к радиатору, коллектор транзистора окажется электрически с ним соединенным. Для того, чтобы избежать неприятностей, в схеме, где этот транзистор используется, коллектор должен быть заземлен. Исходя из этого, для термодатчика нужен p-n-p транзистор, например, КТ814.

Можно, конечно, просто использовать один из переходов транзистора как диод. Однако можно поступить и более хитро. Дело в том, что температурный коэффициент у диода относительно маленький, а измерять маленькие изменения напряжения тяжело. Тут вмешиваются и шумы, и помехи, и нестабильность питающего напряжения. Чтобы повысить температурный коэффициент датчика температуры, часто используют цепочку последовательно включенных диодов. У такой цепочки температурный коэффициент и прямое падение напряжения увеличиваются пропорционально количеству включенных диодов. Но у нас не диод, а целый транзистор! Действительно, добавив всего два резистора, можно соорудить на транзисторе двухполюсник, поведение которого будет эквивалентно поведению цепочки диодов. В описываемом регуляторе именно так и сделано.

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 достичь напряжения питания и схема работать 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, фольга которого нарезана на квадратики с шагом 2.5 мм (рис. 2).

Рис. 2. Монтажная схема первого варианта регулятора.

Для уменьшения габаритов платы большинство примененных элементов являются SMD. В принципе, можно обойтись и обычными элементами. Компаратор применен в обычном корпусе DIP-8, как более доступный. Хотя вполне подойдет и его SMD-вариант в корпусе SOIC-8. Крепится плата на радиаторе процессора с помощью винта крепления транзистора VT1. Для этого в ребре радиатора 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 только транзистора, который в этом случае подключают к плате с помощью проводов. Саму плату можно закрепить 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. Этот факт на практике никаких затруднений не вызывает, по крайней мере, на процессорах Celeron и Pentium-III. Часть их кристалла, соприкасающаяся с радиатором, не имеет электрической проводимости.

Электрически плата включается в разрыв проводов вентилятора. При желании можно установить разъемы, чтобы не нужно было резать провода. Правильно собранная схема никакой настройки не требует. 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 он начинает вращаться. При настройке регулятора можно просто добиться вращения вентилятора на минимально возможных оборотах при комнатной температуре радиатора. Однако учитывая то, что тепловое сопротивление разных радиаторов сильно отличается, может потребоваться корректировка наклона характеристики регулирования. Наклон характеристики задан 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 пониженных 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 большой. Конкретные рекомендации дать сложно, но, по крайней мере, эта температура на 5 - 10 градусов должна быть ниже критической, когда нарушается устойчивость системы.

Первое включение схемы желательно производить от какого-либо внешнего источника питания. Иначе, в случае наличия короткого замыкания в схеме, подключение к разъему материнской платы может вызвать ее повреждение.

Если таходатчик вентилятора используется, то уже нельзя включать регулирующий транзистор в земляной провод вентилятора. Поэтому внутренний транзистор компаратора 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 полностью на транзисторах, которая оказалась по объему даже меньше (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема второго варианта регулятора.

Поскольку размещенная конструктивно на радиаторе плата нагревается вся целиком, то предсказать поведение транзисторной схемы довольно сложно. Поэтому понадобилось предварительное моделирование схемы с помощью пакета PSpice. Результат моделирования показан на рис. 4.

Рис. 4. Результат моделирования схемы в пакете PSpice.

Как видно из рисунка, напряжение питания вентилятора линейно повышается от 4 В при 25°C до 12 В при 58°C. Такое поведение регулятора соответствует требуемому, и на этом этап моделирования был завершен.

Принципиальные схемы двух вариантов регулятора 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 этого 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. Монтажная схема регулятора показана на рис. 5.

Рис. 5. Монтажная схема второго варианта регулятора.

Конструкция аналогична первому варианту, за исключением того, что плата имеет немного меньшие размеры. В схеме можно применить обычные (не SMD) элементы, транзисторы - любые маломощные, так как ток, потребляемый кулерами, не превышает 100 мА. Нужно заметить, что эту схему можно использовать и для управления более мощными вентиляторами, но тогда транзистор VT4 необходимо заменить на более мощный.

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.

На рис. 6 представлен третий вариант схемы, который построен на компараторе в сочетании с транзистором, что позволяет использовать встроенный таходатчик кулера. Этот вариант схемы проще, чем на транзисторах, работает точнее за счет использования компаратора, а также позволяет управлять довольно мощными вентиляторами (даже сразу несколькими, например, работающими на охлаждение всего корпуса).

Рис. 6. Принципиальная схема третьего варианта регулятора.

Практическое использование регулятора с кулером процессора (совместно с программным кулером) показало его высокую эффективность в плане снижения шума. Однако и сам кулер должен быть достаточно эффективным. Например, на Celeron-566@850 боксовый кулер не обеспечивал достаточной эффективности охлаждения, поэтому даже при средней загрузке процессора регулятор поднимал напряжение питания кулера до максимального. Ситуация исправилась после замены кулера на более эффективный с увеличенным диаметром лопостей. Сейчас полные обороты кулер набирает только при длительной работе процессора с 100% загрузкой.

Links:
  1. Управляем кулером
  2. Еще один вариант термоконтроля вентиляторов
Ридико Леонид Иванович www.leoniv.diod.club e-mail: wubblick@yahoo.com