Управляем кулером (термоконтроль вентиляторов 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 T cvd *(R3/R2+1), где T cvd — 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

Поскольку размещенная 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, в общем, соответствует нашим требованиям, и на этом этап моделирования был завершен.

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.

Данный регулятор может применяться везде, где необходима автоматическая регулировка скорости вращения вентилятора, а именно, усилители, компьютеры, блоки питания, и прочие устройства.

Схема устройства

Напряжение создаваемое делителем напряжения R1 и R2 задаёт начальную скорость вращения вентилятора (когда терморезистор холодный). При нагреве резистора его сопротивление падает и напряжение подводимое к базе транзистора Vt1 увеличивается, а в след за ним увеличивается напряжение на эммитере транзистора Vt2, следовательно увеличивается напряжение питающее вентилятора и его скорость вращения.

Налаживание устройства

Некоторые вентиляторы могут нестабильно запускаться, или не запускаться вовсе при пониженном напряжении питания, то нужно подобрать сопротивления резисторов R1 и R2. Обычно новые вентиляторы запускаются без проблем. Для улучшения запуска, можно включить цепочку из последовательно соединённых резистора на 1 кОм и электролитического конденсатора между + питания и базой Vt1, параллельно терморезистору. В таком случае во время заряда конденсатора вентилятор будет работать на максимальных оборотах, а когда конденсатор зарядится обороты вентилятора снизяться до величины установленной делителем R1 и R2. Это особенно пригодится при использовании старых вентиляторов. Ёмкость конденсатора и сопротивление указана примерные, возможно их придётся подобрать при настройке.

Внесение изменений в схему

Внешний вид устройства

Вид со стороны монтажа

Список радиоэлементов

Когда мастера применяют кулеры для поделок, возникает необходимость управления скоростью вращения. Для этого существуют , но тогда необходим компьютер. Для автономной работы вентилятора требуются аппаратные средства. На канале SamChina показали интересный вариант решения вопроса.

Регулятор оборотов на 4 вентилятора. С приятной синей подсветкой. 4 разъема. Крепежные элементы. Продается в этом китайском магазине (искать реобас).

Попробуем собрать композицию из нескольких вентиляторов от персонального компьютера и включить.

Подключим к стандартному блоку питания ПК. Смотрите тест на видео.

Самодельный регулятор

На канале RETROREMONT показали, как спаять простейшую схему для регулировки оборотов вентилятора. Можно применять кулер для охлаждения блока питания, на простой вытяжке. Для этого нужна простая схема. Всего 3 детали.

Переменное сопротивление от 680 до 1 килоом. Транзистор кт 815 – 817- 819. Резистор 1 кОм. Соберем схему и испытаем в работе.

Вторая схема регулятора

В этом видео уроке представлены два варианта, позволяющих регулировать скорость вращения вентилятора персонального компьютера. Используются аппаратные средства, то есть с применением микроэлектроники. В обоих случаях используются кулеры от системных блоков.

Первый вариант. Этот вентилятор питается от напряжения 12 вольт. Его подключаем через схему. Блок питания, который применяется здесь, на 12 вольт, его используют в свечах.

Ролик канала ServLesson.

В данной статье описана программа регулировки скорости кулера процессора, видеокарты и остальных элементов ПК. Неважно, нужно ли изменить частоту вращения вентиляторов из-за их излишнего шума или по причине перегрева, SpeedFan поможет в любом случае. Главное условие правильного функционирования утилиты - возможность регулировки кулеров из BIOS.

SpeedFan

SpeedFan - абсолютно бесплатная программа для кулера видеокарты, центрального процессора и любого другого оборудования с активным охлаждением. Управление вентилятором можно осуществлять в автоматическом или ручном режиме.

Перед запуском утилиты желательно отключить автоматическое изменение скорости в BIOS. Если оставить без внимания это условие, правильное функционирование приложения не гарантируется. После включения SpeedFan считывает информацию об оборотах вентиляторов и принимает эти значения в качестве максимальных. Отсюда следует, что если настройки BIOS не позволяют раскрутить кулер до предела, то и утилита не сможет этого сделать.

Например, кулер ЦП во время включения SpeedFan вращался на скорости 1000 об/м. Приложение примет это значение как верхний предел и не сможет увеличить частоту, когда достигнет критического уровня. Если компьютер автоматически не выключится, то его центральный процессор выйдет из строя.

Первый запуск

После запуска программа для регулировки скорости кулера отрисует окно с краткой справкой. После изучения текста следует поставить галочку напротив единственного пункта и закрыть окно. После этого оно больше не будет возникать на экране.

Теперь программа определит, на каком оборудовании установлено активное охлаждение с возможностью регулировки и считает показания датчиков. После этого на дисплее автоматически отобразится список скоростей вентиляторов и температура основных элементов ПК. Помимо этого, в панели приложения можно наблюдать информацию о загруженности процессора и напряжении.

Чтобы переключить язык на русский, перейдите в меню "Configure" > "Options". Перключатель "Language" установите в положение "Russian". Кликните по "ОК".

Главное окно

Программа для регулировки скорости кулеров на русском выводит всю необходимую для пользователя информацию в отдельных блоках. В середине окна находятся данные, описывающие все найденные контроллеры вентиляторов. Их имена - и т. д. При этом перечень может насчитывать намного больше кулеров, чем есть в ПК. Напротив некоторых из них отобразится реальна скорость вентиляторов. Другие же либо будут показывать значения, равные нулю, либо "мусор" (менее 1000 оборотов в минуту).

Напротив данных, описывающих работу винтов, расположен блок информации о температуре основных компонентов ПК:

CPU - процессор.

GPU - ядро видеокарты.

HD0 - жесткий диск.

Здесь также может быть "мусор". Чтобы определить, какие значения не являются реальными, нужно думать логически. Например, температура приборов в работающей машине вряд ли достигнет уровня 5 или 120 градусов.

Это единственный недостаток, которого программа для регулировки скорости вращения кулера не лишилась за все годы разработки. Стоит сказать, что официальный сайт предлагает сборник необходимых настроек утилиты под популярные конфигурации ПК. Однако часто намного быстрее выполнить все настройки вручную.

Основные блоки утилиты

Блок утилиты со списком Speed01, 02 и т. д. содержит переключатели скорости винтов. Она указана в процентах. Главная задача - определить, какие переключатели из этого блока за какие вентиляторы отвечают.

Перейдите к первому селектору и измените его значение на 20-30%. Пронаблюдайте, скорость напротив какой строки "Fan" меняется. Теперь измените настройки следующего переключателя. Запомните или запишите каждое найденное соответствие.

Если идентифицировать датчики не получится, есть смысл воспользоваться утилитой AIDA64. Запустите одновременно её и SpeedFan. Изменяйте значения переключателей Speed, а в AIDA смотрите, какие конкретно вентиляторы начинают крутиться с другой скоростью.

Конфигурация

Перейдите в меню «Конфигурация». Здесь можно задать всем строкам блоков главного окна понятные названия. Например, датчик вращения кулера ЦП переименовать в "TempCPU". Чтобы это сделать, кликните по любому элементу в настройках, подождите секунду и щелкните еще раз. После этого строка подсветится, и в ней появится курсор.

Выделите имя необходимого датчика и обратите внимание на нижнюю часть окна приложения. Сюда следует вписать, какую температуру каждого устройства ПК программа для регулировки скорости кулера будет считать нормальной. Когда оборудование охладится до этого уровня, обороты вентилятора станут минимальными. Также следует указать температуру тревоги. Нагрев до этого уровня включит максимальные обороты кулера.

Чтобы узнать о том, какие значения стоит использовать, обратитесь на официальные сайты производителей устройств своего ПК.

Теперь нажмите на "+" напротив имени датчика. Снимите все галочки с перечня "Speed". Оставьте только ту, которая соответствует регулятору данного устройства.

Перейдите на закладку "Вентиляторы" и, если необходимо, переименуйте их так же, как датчики. Неиспользуемые отключите, сняв флажки.

Скорость

Чтобы программа для регулировки скорости кулера выполняла автоматическое управление, откройте закладку "Скорости". Выделите строку нужного вентилятора и переименуйте его, как считаете нужным. Теперь обратите внимание на нижний блок окна. Здесь есть два пункта:

Основной проблемой вентиляторов, которые охлаждают ту или иную часть компьютера, является повышенный уровень шума . Основы электроники и имеющиеся материалы помогут нам решить эту проблему своими силами. В этой статье предоставлена схема подключения для регулировки оборотов вентилятора и фотографии как выглядит самодельный регулятор скорости вращения.

Нужно отметить, что количество оборотов в первую очередь зависит от уровня подаваемого на него напряжения. Уменьшая уровень подаваемого напряжения, уменьшается как шум, так и число оборотов.

Схема подключения:

Вот какие детали нам пригодятся: один транзистор и два резистора.

Что касается транзистора, то берите КТ815 или КТ817, также можно использовать мощнее КТ819.

Выбор транзистора зависит от мощности вентилятора. В основном используются простые вентиляторы постоянного тока с напряжением 12 Вольт.

Резисторы нужно брать с такими параметрами: первый постоянный (1кОм), а второй переменный (от 1кОм до 5кОм) для регулировки скорости оборотов вентилятора.

Имея входное напряжение (12 Вольт), выходное напряжение можно регулировать, вращая движковую часть резистора R2. Как правило, при напряжении 5 Вольт или ниже, вентилятор перестает шуметь.

При использовании регулятора с мощным вентилятором советую установить транзистор на небольшой теплоотвод.

Вот и все, теперь вы можете собрать регулятор скорости вентилятора своими руками, без шумной вам работы.

С уважением, Эдгар.