управляємо кулером
Тим, хто використовує комп'ютер щодня (і особливо щоночі :-)), близька ідея Silent PC. Цій темі присвячено багато публікацій, проте на сьогоднішній день проблема шуму, створюваного комп'ютером, не вирішена. Одним з джерел шуму є кулер процесора. Використовуючи програмні кулери, наприклад, CpuIdle або вбудовані в Windows-98SE, Windows-2000 і Windows NT, можна значно знизити середню температуру процесора. Однак кулер цього не знає і продовжує працювати на повну потужність. Існують спеціальні програмні продукти, наприклад SpeedFan, які вміють керувати обертами кулера. Однак далеко не на всіх материнських платах такі програми працюють. Ді і управляють вони не дуже розумно. Наприклад, при великому завантаженні комп'ютера навіть при абсолютно холодному процесорі кулер працює на своїх максимальних обертах. Вихід зі становища простий. Для управління оборотами кулера потрібно спорудити аналоговий регулятор з окремим термодатчиком, закріпленим на радіаторі процесора. Можливо безліч різних схемотехнічних рішень таких регуляторів. На увагу заслуговують найбільш прості з них.
Якщо кулер не має виходу таходатчіка, або якщо цей вихід не використовується, можна побудувати найпростішу схему, яка містить мінімальну кількість деталей (рис. 1.).
Мал. 1. Принципова схема першого варіанту регулятора.
Ще з часів 486-х процесорів використовувався регулятор, зібраний по цій схемі. Побудований він на основі мікросхеми компаратора LM311 (вітчизняний аналог - КР554СА3). Незважаючи на те, що застосований компаратор, регулятор забезпечує лінійне, а не ключове регулювання. Тоді може виникнути питання, навіщо компаратор? Є причини. По-перше, даний компаратор має відносно потужний вихід з відкритим колектором, що дозволяє підключати до нього вентилятор без додаткових транзисторів. По-друге, завдяки тому, що вхідний каскад побудований на pnp транзисторах, які включені з загальним колектором, навіть при однополярному харчуванні можна працювати з низькими вхідними напругами, що знаходяться практично на потенціалі землі. Наприклад, при використанні в якості термодатчика діода потрібно працювати при потенціалах входів всього 0.7 В. Більшість операційних підсилювачів цього не дозволяють. По-третє, будь-який компаратор можна охопити негативним зворотним зв'язком, тоді він буде працювати так, як працюють операційні підсилювачі. Саме таке включення і використано.
Як датчик температури дуже часто застосовують діоди. У кремнієвого діода pn перехід має температурний коефіцієнт приблизно -2.3 мв / ° C, а пряме падіння напруги - порядку 0.7 В. Більшість діодів мають корпус, що не підходив для кріплення на радіаторі. У той час як деякі транзистори спеціально пристосовані для цього. Одними з таких транзисторів є вітчизняні транзистори КТ814 і КТ815. Якщо подібний транзистор пригвинтити до радіатора, колектор транзистора виявиться електрично з ним сполученим. Для того, щоб уникнути неприємностей, в схемі, де цей транзистор використовується, колектор повинен бути заземлений. Виходячи з цього, для термодатчика потрібен pnp транзистор, наприклад, КТ814.
Можна, звичайно, просто використовувати один з переходів транзистора як діод. Однак можна вчинити і більш хитро. Справа в тому, що температурний коефіцієнт у діода відносно невеликий, а вимірювати маленькі зміни напруги важко. Тут втручаються і шуми, і перешкоди, і нестабільність напруги живлення. Щоб підвищити температурний коефіцієнт датчика температури, часто використовують ланцюжок послідовно включених діодів. У такий ланцюжка температурний коефіцієнт і пряме падіння напруги збільшуються пропорційно кількості включених діодів. Але у нас не діод, а цілий транзистор! Дійсно, додавши всього два резистора, можна спорудити на транзисторі двухполюсник, поведінка якого буде еквівалентно поведінки ланцюжка діодів. В описуваному регуляторі саме так і зроблено.
Температурний коефіцієнт такого датчика визначається відношенням резисторів R2 і R3 і дорівнює Tcvd * (R3 / R2 + 1), де Tcvd - температурний коефіцієнт одного pn переходу. Підвищувати ставлення резисторів до нескінченності не можна, так як разом з температурним коефіцієнтом зростає і пряме падіння напруги, яке запросто може досягти напруги живлення і схема працювати не буде. В описуваному регуляторі температурний коефіцієнт обраний рівним приблизно -20 мВ / ° C, при цьому пряме падіння напруги становить близько 6 В.
Датчик температури VT1R2R3 включений в вимірювальний міст, який утворений резисторами R1, R4, R5, R6. Харчується міст від параметричного стабілізатора напруги VD1R7. Необхідність застосування стабілізатора викликана тим, що напруга живлення +12 В всередині комп'ютера досить нестабільний. В імпульсному джерелі живлення здійснюється лише групова стабілізація вихідних рівнів +5 В і +12 В.
Напруга розбалансу вимірювального моста прикладається до входів компаратора, який використовується в лінійному режимі завдяки дії негативного зворотного зв'язку. Підлаштування резистор R5 дозволяє зміщувати регулювальну характеристику, а зміна номіналу резистора зворотного зв'язку R8 дозволяє змінювати її нахил. Ємності C1 і C2 забезпечують стійкість регулятора.
Змонтований регулятор на макетної платі, яка представляє собою шматочок одностороннього фольгованого склотекстоліти, фольга якого нарізана на квадратики з кроком 2.5 мм (рис. 2).
Мал. 2. Монтажна схема першого варіанту регулятора.
Для зменшення габаритів плати більшість застосованих елементів є SMD. В принципі, можна обійтися і звичайними елементами. Компаратор застосований в звичайному корпусі DIP-8, як більш доступний. Хоча цілком підійде і його SMD-варіант в корпусі SOIC-8. Кріпиться плата на радіаторі процесора за допомогою гвинта кріплення транзистора VT1. Для цього в ребрі радіатора слід зробити отвір, в якому бажано нарізати різьблення М3. В крайньому випадку можна використовувати гвинт і гайку. При виборі місця на радіаторі для закріплення плати потрібно подбати про доступність підлаштування резистора, коли радіатор буде знаходитися всередині комп'ютера. Таким способом можна прикріпити плату тільки до радіаторів "класичної" конструкції, а ось кріплення її до радіаторів циліндричної форми (наприклад, як у Orb-ів) може викликати проблеми. Хороший теплової контакт з радіатором повинен мати тільки транзистор термодатчика. Тому якщо вся плата цілком не вміщується на радіаторі, можна обмежиться установкою на ньому тільки транзистора, який в цьому випадку підключають до плати за допомогою дротів. Саму плату можна закріпити в будь-якому зручному місці. Закріпити транзистор на радіаторі нескладно, можна навіть просто вставити його між ребер, забезпечивши теплової контакт з допомогою теплопроводящей пасти. Ще одним способом кріплення є застосування клею з хорошою теплопровідністю.
При установці транзистора термодатчика на радіатор, останній виявляється сполученим з землею. Цей факт на практиці ніяких труднощів не викликає, принаймні, на процесорах Celeron і Pentium-III. Частина їх кристала, що стикається з радіатором, не має електричної провідності.
Електрично плата включається в розрив проводів вентилятора. При бажанні можна встановити роз'єми, щоб не потрібно було різати дроти. Правильно зібрана схема ніякої настройки не вимагає. Потрібно лише підлаштування резистором R5 встановити необхідну частоту обертання крильчатки вентилятора, яка відповідає поточному температурі. На практиці у кожного конкретного вентилятора існує мінімальна напруга живлення, при якому він починає обертатися. Під час налаштування регулятора можна просто домогтися обертання вентилятора на мінімально можливих оборотах при кімнатній температурі радіатора. Однак з огляду на те, що тепловий опір різних радіаторів сильно відрізняється, може знадобитися коригування нахилу характеристики регулювання. Нахил характеристики заданий номіналом резистора R8. Номінал резистора може лежати в межах від 100 К до 1 М. Чим більше цей номінал - тим при більш низькій температурі радіатора вентилятор буде досягати максимальних обертів. На практиці дуже часто завантаження процесора становить лічені відсотки. Це спостерігається, наприклад, при роботі в текстових редакторах. При використанні програмного кулера в такі моменти вентилятор може працювати на знижених оборотах. Саме це і має забезпечувати регулятор. Однак при збільшенні завантаження процесора його температура піднімається, і регулятор повинен поступово підняти напруга живлення вентилятора до максимального, не допустивши перегріву процесора. Температура радіатора, коли досягаються повні оберти вентилятора, не повинна бути дуже великою. Конкретні рекомендації дати складно, але, по крайней мере, ця температура на 5 - 10 градусів повинна бути нижче критичної, коли порушується стійкість системи.
Перше включення схеми бажано проводити від будь-якого зовнішнього джерела живлення. Інакше, в разі наявності короткого замикання в схемі, підключення до роз'єму материнської плати може викликати її пошкодження.
Якщо таходатчіка вентилятора використовується, то вже не можна включати регулюючий транзистор в земляний провід вентилятора. Тому внутрішній транзистор компаратора не підходить. У цьому випадку потрібен додатковий транзистор, який буде виробляти регулювання по ланцюгу +12 В вентилятора. В принципі, можна було просто трохи доопрацювати схему на компараторе. Але для різноманітності була зроблена схема повністю на транзисторах, яка виявилася за обсягом навіть менше (рис. 3).
Мал. 3. Принципова схема другого варіанту регулятора.
Оскільки розміщена конструктивно на радіаторі плата нагрівається вся цілком, то передбачити поведінку транзисторної схеми досить складно. Тому знадобилося попереднє моделювання схеми з допомогою пакета PSpice. Результат моделювання показаний на рис. 4.
Мал. 4. Результат моделювання схеми в пакеті PSpice.
Як видно з малюнка, напруга живлення вентилятора лінійно підвищується від 4 В при 25 ° C до 12 В при 58 ° C. Така поведінка регулятора відповідає необхідному, і на цьому етап моделювання був завершений.
Принципові схеми двох варіантів регулятора мають багато спільного. Зокрема, датчик температури і вимірювальний міст абсолютно ідентичні. Різниця полягає лише в підсилювачі напруги розбалансу моста. У другому варіанті ця напруга надходить на каскад на транзисторі VT2. База цього транзистора є входом, що інвертує підсилювача, а емітер - неінвертірующего. Далі сигнал надходить на другий підсилювальний каскад на транзисторі VT3, потім на вихідний каскад на транзисторі VT4. Призначення ємностей таке ж, як і в першому варіанті. Монтажна схема регулятора показана на рис. 5.
Мал. 5. Монтажна схема другого варіанту регулятора.
Конструкція аналогічна першому варіанту, за винятком того, що плата має трохи менші розміри. У схемі можна застосувати звичайні (НЕ SMD) елементи, транзистори - будь-які малопотужні, так як струм, споживаний кулерами, не перевищує 100 мА. Потрібно зауважити, що цю схему можна використовувати і для управління більш потужними вентиляторами, але тоді транзистор VT4 необхідно замінити на більш потужний.
Сигнал тахогенератора TG безпосередньо проходить через плату регулятора і надходить на роз'єм материнської плати.
Методика настройки другого варіанту регулятора нічим не відрізняється від методики, наведеної для першого варіанту. Тільки в цьому варіанті настройку виробляють підлаштування резистором R7, а нахил характеристики задається номіналом резистора R12.
На рис. 6 представлений третій варіант схеми, який побудований на компараторе в поєднанні з транзистором, що дозволяє використовувати вбудований таходатчіка кулера. Цей варіант схеми простіше, ніж на транзисторах, працює точніше за рахунок використання компаратора, а також дозволяє керувати досить потужними вентиляторами (навіть відразу декількома, наприклад, працюють на охолодження всього корпусу).
Мал. 6. Принципова схема третього варіанту регулятора.
Практичне використання регулятора з кулером процесора (спільно з програмним кольором) показало його високу ефективність в плані зниження шуму. Однак і сам кулер повинен бути досить ефективним. Наприклад, на Celeron-566 @ 850 боксового кулер не забезпечував достатньої ефективності охолодження, тому навіть при середньому завантаженні процесора регулятор піднімав напруга живлення кулера до максимального. Ситуація виправилася після заміни кулера на більш ефективний з збільшеним діаметром лопості. Зараз повні оберти кулер набирає тільки при тривалій роботі процесора з 100% завантаженням.
Links:
- управляємо кулером
- Ще один варіант термоконтроля вентиляторів