1. список радіоелементів

Існує велика кількість різних електронних схем управління вентиляторами. Не вдаючись в подробиці аналізу успішності того чи іншого технічного рішення, перерахую поширені проблеми і недоліки більшості існуючих схем управління:

1. Неможливість / некоректність роботи таходатчіка через що знаходиться в ланцюгу маси регулюючого елемента або імпульсного живлення вентилятора;
2. Зниження ефективності системи охолодження на великих теплових навантаженнях через вузького діапазону частот обертання або неможливості регулятора видавати повне (паспортне) напруга на вентилятор;
3. Додатковий акустичний шум і вібрація вентилятора через його харчування ШИ-модульованим імпульсним струмом;
4. Нагрівання елементів регулятора, що працюють в лінійному режимі;
5. Ненадійний пуск вентилятора на малих обертах через великий опір в ланцюзі харчування;
6. Сильна залежність оборотів від кількості вентиляторів, підключених до виходу одного регулятора.

У всіх сучасних системних платах є технології зниження шуму процесорного кулера. Назви різні - SmartFAN, QuietFAN і т.п. Управління цією технологією виробляється через BIOS. На рис. 1 на прикладі BIOS системної плати MSI MS-7519 (AMIBIOS) показана сторінка налаштування параметрів технології термоконтроля.

Рис.1 Сторінка BIOS PC Health

Налаштованим є наступні параметри.

• CPU Smart Fan Target - установка цільової температури, при перевищенні якої, плата почне підвищувати заповнення керуючого сигналу #CONTROL 4-пинового роз'єму.
• CPU Min FAN SPEED (%) - мінімальний коефіцієнт заповнення сигналу #CONTROL для підтримки мінімальних обертів кулера на температурах нижче цільової. На моїй платі доступні 8 значень з кроком 12,5% від 0 до 87,5%.

Розрізняються три зони регулювання оборотів вентилятора. Перша зона - нижче CPU Smart Fan Target. Швидкість обертання в цій зоні визначається настроюванням CPU Min FAN SPEED (%). Чи потрібно обертатися вентилятору, коли температура процесора нижче 40 ° C - окреме питання, але в даному випадку мені це дуже знадобилося. Про це буде сказано окремо.

Після досягнення температури CPU Smart Fan Target, починається зона активного ШИ-регулювання. Системна плата збільшує коефіцієнт заповнення сигналу #CONTROL пропорційно відхиленню температури ЦПУ від Smart Fan Target. Цей коефіцієнт пропорційності вимірюється в% / ° C, показує, наскільки гостро система буде реагувати на перевищення заданої температури. У моєму випадку коефіцієнт не регулюється через BIOS, і прихований від користувача. Є системні плати, що дозволяють його коригувати. До цього треба бути готовим - не всі відразу можуть розібратися з настройками терморегулювання, враховуючи їх різноманітні назви (але єдину сутність).

Після досягнення 100% заповнення сигналу #CONTROL, починається зона, в якій вентилятор працює на повну продуктивність. Зазвичай, відповідає високим навантаженням на ЦПУ. Занадто частий вихід на повні оберти може вказувати на те, що система охолодження погано справляється з теплоотведеніем.

Робочі точки системи терморегулювання вентилятора ЦПУ розібрані в [1], і показані на рис. 2. з моїми поясненнями.

Мал. 2 Робочі точки системи терморегулювання

Цокольовка роз'єму вентилятора приведена на рис.3. Якщо вентилятор не підтримує ШІМ-управління частотою обертання, тоді контакт 4 - відсутня. Якщо і таходатчіка немає, тоді відсутні контакти 3 і 4. Положення виступів-ключів для 3х і 4х контактних вентиляторів - незмінне. Таким чином, у вентиляторів зберігається сумісність з роз'ємів.

Мал. 3 цоколевке роз'єму вентилятора

Мал. 4 Сигнал #CONTROL. Горизонт - 20 мкс / справ, вертикаль - 1 В / справ.

Параметри керуючого швидкістю сигналу #CONTROL сигналу можна знайти в [1]. Амплітуда - 5 В, вихід типу "відкритий колектор" з підтягуванням до +5 В. Частота близько 22 кГц. З роз'єму CPUFAN на системній платі при працюючому вентиляторі мною знята осциллограмма сигналу, показана на рис. 4. На рис. 4, параметр CPU Min FAN SPEED (%) виставлений в BIOSе на 12,5%. Заповнення імпульсу становить 12,5%, що відповідає виставленим в BIOS значенням. При установці інших значень, виходить відповідно.

При складанні принципової схеми, хід думок був таким:

1. підключитися до гнізда CPUFAN на системній платі.
2. сигнал #SENSE транзитом коммутировать з відповідним контактом 3-pin вентилятора для збереження можливості моніторингу оборотів.
3. регулювання 3-pin вентилятора здійснювати постійною напругою, щодо мінуса, тобто, регулюючий елемент помістити в плюсовій ланцюга.
4. Використовуючи сигнал #CONTROL, управляти P-канальним (або PNP) ключем, коммутирующим напруга живлення +12 В.
5. З огляду на необхідність отримання постійної напруги харчування, застосувати діод-індуктивно-ємнісний інтегратор.

Вийшла схема, дуже схожа на звичайний понижуючий імпульсний стабілізатор, тільки без явної зворотного зв'язку і контролера, роль якого в даному випадку, виконує системна плата.

Спостерігається прямо пропорційна (при безперервному струмі дроселя) залежність вихідної напруги схеми від заповнення сигналу управління: U вих ~ 12 * D (Вольт), де D - коефіцієнт заповнення, 0..1. Втрати на активних опорах для спрощення, що не беруться до уваги. Це робить регулювання передбачуваним навіть без моніторингу оборотів.

На рис. 5 показана принципова схема управління BLDC-вентилятором без входу ШІМ, тобто, адаптер для підключення 3х-контактного вентилятора в 4х-контактний роз'єм CPUFAN. У виносках показана форма сигналу в характерних точках схеми.

На рис. 6 показана принципова схема управління BLDC-вентиляторами "провідний (4-pin) -відомості (2-pin)". Умовно провідний вентилятор - процесорний, з підтримкою сигналів #CONTROL і #SENSE. Умовно ведений вентилятор (один або кілька) - звичайний 2х-вивідних, буде регулюватися тим же напругою і за тим же алгоритмом, що і ведучий.

Мал. 5 Принципова схема управління BLDC-вентилятором без входу ШІМ

Мал. 6 Принципова схема управління BLDC-вентиляторами «ведучий (4-pin) -відомості (2-pin)»

Загальна ланцюг живлення вентилятора і таходатчіка, як видно, залишається нерозривному, регулювання здійснюється за плюсової проводу. VT3, включений за схемою загальний витік в плюсову ланцюг харчування, працює в ключовому режимі. Опір втрат схеми складається з Rdson і опору Rdc дроселя, не перевищує 1 Ом. Повний (штатний) напруга на вентиляторі не менше 11 В, проблем з неповним використанням напруги живлення не виникає. Вентилятор живиться згладженим напругою з низьким рівнем пульсацій, додаткових шумів двигуна вентилятора, пов'язаних з ШИ-регулюванням немає, таходатчіка і керуючі ІМС в складі двигуна працюють повністю штатно. Нагрівання елементів не вдається виявити. Низький вихідний опір схеми дає можливість запускатися вентиляторів при вихідній напрузі менше 4 В, в залежності від типу. З цієї ж причини, залежність оборотів від числа підключених паралельно вентиляторів - невелика і обумовлена ​​вихідним опором схеми (<1 Ом). Усувається вибором VT3 і L1 з меншим опором по постійному струму. Під час налаштування BIOS системної плати, рекомендується виставляти мінімальні обороти з урахуванням працездатності застосовуваних вентиляторів на низькій напрузі харчування.

R1 - струмообмежувальні резистор. Його величина повинна бути досить великою, щоб не спотворювати сигнал управління #CONTROL. Транзистор VT1 інвертує сигнал управління, заряджаючи затвор VT3 до -11 ..- 12В для відмикання. VT2 з резистором зміщення R2 прискорюють розрядку затвора VT3 при його закриванні. Ці заходи потрібні для збереження на низькому рівні втрат на перемикання. Діод Шотткі - фіксуючий (нульовий), підтримує струм дроселя в паузах між імпульсами. Дросель L1 інтегрує імпульси напруги, виділяючи їх середнє значення, яке прикладається до вентилятора.

При виставленому в BIOS параметрі CPU Min FAN SPEED 37,5%, на вентиляторі спостерігається напруга 4,2 В і він стійко запускається і обертається.

Захист від короткого замикання і перевантаження виконана на SMD PTC-запобіжнику багаторазового дії. Конденсатор C1 необхідний для виключення викидів напруги на вході, викликаних імпульсним споживанням струму. Конденсатор С2 пригнічує пульсації як з частотою ШІМ, так і з частотою комутації самого вентилятора.

Всі деталі, крім дроселя L1 і штирьових роз'ємів - SMD. Резистори - типорозміру 0805. VT3 - P-канальний МОП-транзистор (p-MOS) IRF6216 на 150 В і Rdson 0,25 Ом в корпусі SO-8. Можна і краще з точки зору повного заряду затвора застосувати ключ на 25-30 В. Малопотужні біполярні транзистори VT1, VT2 - типу MMBT3904 (маркування 1AM, K1N). Їх можна замінити на PMBT2222 (маркування 1B), PMBT2222A (1P). Замість VT1 можна встановити малосигнальний n-МОП транзистор 2N7002 (702) без коригування друкованої плати. В цьому випадку R1 треба взяти 1 кОм.

Діод VD2 - Шотткі SS12 (1 А, 20 В). Конденсатори C1 і C2 - малогабаритні, танталл, 47-100 мкФ 16-20 В.

Дросель L1- гантелька, на 500 мкГн, робочий струм не менше 1,5 А і опором по постійному струму не більше 0,5 Ом. Індуктивність L1, вибирається з урахуванням мінімального робочого струму навантаження. Якщо передбачається робота з малопотужними вентиляторами і малими струмами, індуктивність треба збільшити для збереження режиму безперервності струму дроселя. Для перевірки режиму роботи дроселя, можна скористатися програмою Drossel з пакету All_In_One автора @Starichok (Денисенко В.)

Штирові роз'єми - однорядні PLS. Такими до системних плат підключаються передні панелі, кнопки, USB-порти. Їх можна замінити відповідними 3х і 4х піновим роз'ємами з ключами призначеними для вентиляторів.

Запобіжник F1 виконання під поверхневий монтаж SMD1812P110TF / 33, напівпровідниковий від Polytronics. Замість зазначеного підійдуть і інші типи, наприклад MF-MSM .. (Bourns-Multifuse), mini-SMD .. (Tyco-Polyswitch) на струм спрацьовування 1,5..2 А.

Схема зібрана на малогабаритних платах 45 * 14 і 50 * 14 мм, з двома отворами для монтажу ᴓ30 мм (рис. 7 ÷ рис. 10). У ПК передбачається монтаж плати на стандартному куточку від плат розширення (рис. 11). Підключення - коротким (15-20 см) 4-жильним шлейфом до гнізда CPUFAN на системній платі. До змонтованої плати підключається 3/4-піновий кулер процесора з моніторингом оборотів. До двох інших роз'ємів можна підключити вентилятори всаса і витяжної (2-піновий) без моніторингу оборотів.

Мал. 7 Друкована плата схеми управління BLDC-вентилятором без входу ШІМ

Мал. 8 Друкована плата схеми управління BLDC-вентиляторами «ведучий-ведений»

Мал. 9 Вид з боку пайки друкованої плати за схемою "ведучий-ведений"

Мал. 10 Вид з боку роз'ємів друкованої плати за схемою "ведучий-ведений"

Мал. 11 Змонтований в ПК і готовий до роботи регулятор за схемою "ведучий-ведений" з трьома вентиляторами

Всього зібрано 2 примірника пристроїв за схемою «ведучий-ведений» з трьома вентиляторами, які змонтовані і працюють з ПК на системних платах:

1. ASRock G31M-S;
2. MSI P43-NEO F (MS-7519).

У першому випадку глибина ШІМ-регулювання виявилася невелика, тому що системна плата G31M-S не дозволяла зменшувати заповнення #CONTROL менше 70%, але і так шум вентиляторів значно знизився. Регулювання піддалися вентилятор корпуса (Delta AFB0812SH 80 мм, 0,51 А) і блоку живлення (Noname, 120 мм, 0,35 А).

У другому випадку, з P43-NEO F, результат перевершив всі очікування, обороти вентиляторів (аналогічний набір) регулюються адекватно обчислювальної навантаженні, ШУМ від системи охолодження без активно працюють ресурсоємних додатків тепер дуже невеликий. При запуску стрес-тесту Aida64 зі 100% завантаженням пам'яті і ЦП, температура останнього стабілізується на максимальних + 48-49 ° C, далі зростання не спостерігається. Вентилятори все ще не виходять на максимум, але значно підвищують обороти.

З огляду на, що ЦП - не єдиний тепловиділяючих елемент всередині корпусу, покладатися на керування всіма вентиляторами лише по температурі процесора - неправильно. Для утримання на комфортному рівні температури жорстких дисків, також схильних до розігріву (мене їх, 3 шт, не рахуючи SSD) при тривалих файлових операціях (резервне копіювання, дефрагментація і т.д.), необхідно забезпечити мінімальну продування системного блоку. Тут допоможе настройка в BIOS вищезгаданого параметра CPU Min FAN SPEED (%). В результаті, температура дискових накопичувачів, у всіх режимах роботи системи охолодження, не перевищує +38 .. + 39 ° C, що є непоганим результатом.

висновки

Вдалося отримати хорошу сумісність з різними, в тому числі, досить потужними корпусними вентиляторами. З'явилася можливість поставити у відповідність загальної обчислювальної навантаженні практично всі гучні системні вентилятори. Тобто, зробити ПК значно тихіше, коли від нього не вимагається високої продуктивності, при максимальному використанні існуючого контуру регулювання на системній платі.

Використовувана література

1. Document Number: 320467-011, Intel® Pentium® Dual-Core Processor E6000 and E5000 Series Datasheet, November 2010, сторінки 97, 98.

список радіоелементів

Позначення Тип Номінал Кількість Примітка Магазин Мій блокнот Для обох варіантів схеми управління VT1, VT2 Біполярний транзистор

MMBT3904

2 Пошук в Utsource В блокнот VT3 MOSFET-транзистор

IRF6216

1 Пошук в Utsource В блокнот VD1 Випрямляючий діод

LL4148

1 Пошук в Utsource В блокнот VD2 Випрямляючий діод

SS12-E3

1 Пошук в Utsource В блокнот L1 Котушка індуктивності "Гантелька" ᴓ10 мм 500 мкГн 0,45 Ом 1,5 А 1 Пошук в Utsource В блокнот R1 Резистор SMD 0805 10 кОм 50 мВт 1 Пошук в Utsource В блокнот R2 Резистор SMD 0805 2,2 кОм 50 мВт 1 Пошук в Utsource В блокнот C1, C2 Конденсатор SMD полярний Kemet 47 мкФ х 20 В танталл 2 Пошук в Utsource В блокнот FU1 Запобіжник SMD1812P110TF / 33 Iном = 1,1 А Iср = 1,9 А 1 Пошук в Utsource В блокнот Додати все

Завантажити список елементів (PDF)

Теги: