Тим, хто використовує комп'ютер щодня (і особливо щоночі), дуже близька ідея Silent PC. Цій темі присвячено багато публікацій, проте на сьогоднішній день проблема шуму, виробленого комп'ютером, далека від вирішення. Одним з головних джерел шуму в комп'ютері є процесорний кулер. При використанні програмних засобів охолодження, таких як CpuIdle, Waterfall і інших, або ж при роботі в операційних системах Windows NT / 2000 / XP і Windows 98SE середня температура процесора в Idle-режимі значно знижується. Однак вентилятор кулера цього не знає і продовжує працювати в повну силу з максимальним рівнем шуму. Звичайно, існують спеціальні утиліти (SpeedFan, наприклад), які вміють керувати обертами вентиляторів. Однак працюють такі програми далеко не на всіх материнських платах. Але навіть якщо і працюють, то, можна сказати, не дуже розумно. Так, на етапі завантаження комп'ютера навіть при відносно холодному процесорі вентилятор працює на своїх максимальних обертах. Вихід зі становища насправді простий: для управління оборотами крильчатки вентилятора можна спорудити аналоговий регулятор з окремим термодатчиком, закріпленим на радіаторі кулера. Взагалі кажучи, існує незліченна безліч схемотехнічних рішень для таких терморегуляторів. Але нашу увагу заслуговують дві найбільш простих схеми термоконтроля, з якими ми зараз і розберемося.
опис
Якщо кулер не має виходу таходатчіка (або ж цей вихід просто не використовується), можна побудувати найпростішу схему, яка містить мінімальну кількість деталей (рис. 1).
Ще з часів «четвірок» використовувався регулятор, зібраний за такою схемою. Побудований він на основі мікросхеми компаратора LM311 (вітчизняний аналог - КР554СА3). Незважаючи на те, що застосований компаратор, регулятор забезпечує лінійне, а не ключове регулювання. Може виникнути резонне питання: «Як так вийшло, що для лінійного регулювання застосовується компаратор, а не операційний підсилювач?». Ну, причин цього є кілька. 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 за схемою із загальним колектором, навіть при однополярному харчуванні можна працювати з низькими вхідними напругами, що знаходяться практично на потенціалі землі. Так, при використанні діода в якості термодатчика потрібно працювати при потенціалах входів всього 0.7 В, що не дозволяють більшість операційних підсилювачів. По-третє, будь-який компаратор можна охопити негативним зворотним зв'язком, тоді він буде працювати так, як працюють операційні підсилювачі (до речі, саме таке включення і використано).
Як датчик температури дуже часто застосовують діоди. У кремнієвого діода pn перехід має температурний коефіцієнт напруги приблизно -2.3 мВ / ° C, а пряме падіння напруги - порядку 0.7 В. Більшість діодів мають корпус, зовсім невідповідний для їх закріплення на радіаторі. У той же час деякі транзистори спеціально пристосовані для цього. Одними з таких є вітчизняні транзистори КТ814 і КТ815. Якщо подібний транзистор пригвинтити до радіатора, колектор транзистора виявиться з ним електрично з'єднаний. Щоб уникнути неприємностей, в схемі, де цей транзистор використовується, колектор повинен бути заземлений. Виходячи з цього, для нашого термодатчика потрібен pnp транзистор, наприклад, КТ814.
Можна, звичайно, просто використовувати один з переходів транзистора як діод. Але тут ми можемо проявити кмітливість і вчинити більш хитро 
Справа в тому, що температурний коефіцієнт у діода відносно низький, а вимірювати маленькі зміни напруги досить важко. Тут втручаються і шуми, і перешкоди, і нестабільність напруги живлення. Тому часто, для того щоб підвищити температурний коефіцієнт датчика температури, використовують ланцюжок послідовно включених діодів. У такий ланцюжка температурний коефіцієнт і пряме падіння напруги збільшуються пропорційно кількості включених діодів. Але ж у нас не діод, а цілий транзистор! Дійсно, додавши всього два резистора, можна спорудити на транзисторі двухполюсник, поведінка якого буде еквівалентно поведінки ланцюжка діодів. Що і зроблено в описуваному терморегулятор.
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 харчування, і тоді схема працювати вже 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 (рис.2).
Для зменшення габаритів плати бажано використовувати SMD-елементи. Хоча, в принципі, можна обійтися і звичайними елементами. Плата закріплюється на радіаторі кулера за допомогою гвинта кріплення транзистора VT1. Для цього в радіаторі 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 одного транзистора, який в цьому випадку підключають до плати за допомогою дротів. Саму плату можна розташувати 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. Але на практиці це не викликає особливих труднощів, по крайней мере, в системах з процесорами Celeron і PentiumIII (частина їх кристала, що стикається з радіатором, не має електричної провідності).
Електрично плата включається в розрив проводів вентилятора. При бажанні можна навіть встановити роз'єми, щоб не розрізати дроти. Правильно зібрана схема практично не вимагає настройки: 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 починає обертатися крильчатка. Налаштовуючи регулятор, можна домогтися обертання вентилятора на мінімально можливих оборотах при температурі радіатора, скажімо, близькою до навколишнього. Проте, з огляду на те, що тепловий опір різних радіаторів сильно відрізняється, може знадобитися коригування нахилу характеристики регулювання. Нахил характеристики задається 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 значно 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 високою. Конкретні рекомендації дати складно, але, по крайней мере, ця температура повинна «відставати» на 5 - 10 градусів від критичної, коли вже порушується стабільність системи.
Так, ще один момент. Перше включення схеми бажано проводити від будь-якого зовнішнього джерела живлення. Інакше, в разі наявності в схемі короткого замикання, підключення схеми до роз'єму материнської плати може викликати її пошкодження.
Тепер другий варіант схеми. Якщо вентилятор обладнаний таходатчіка, то вже не можна включати регулюючий транзистор в «земляний» провід вентилятора. Тому внутрішній транзистор компаратора тут 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, зібрана на транзисторах, яка виявилася за обсягом навіть менше (рис. 3).
Оскільки розміщена 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.
Як видно з малюнка, напруга живлення вентилятора лінійно підвищується від 4 В при 25 ° C до 12 В при 58 ° C. Така поведінка регулятора, загалом, відповідає нашим вимогам, і на цьому етап моделювання був завершений.
Принципові схеми цих двох варіантів терморегулятора 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 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. Ну, а монтажна схема регулятора показана на рис. 5.
Конструкція аналогічна першому варіанту, за винятком того, що плата має трохи менші розміри. У схемі можна застосувати звичайні (НЕ SMD) елементи, а транзистори - будь-які малопотужні, так як струм, споживаний вентиляторами, зазвичай не перевищує 100 мА. Зауважу, що цю схему можна використовувати і для управління вентиляторами з великим значенням споживаного струму, але в цьому випадку транзистор VT4 необхідно замінити на більш потужний. Що ж стосується виведення тахометра, то 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.
висновки
Практичне використання терморегулятора (спільно з програмними засобами охолодження) показало його високу ефективність в плані зниження шуму, виробленого кулером. Однак і сам кулер повинен бути досить ефективним. Наприклад, в системі з процесором Celeron566, що працює на частоті 850 МГц, боксового кулер вже не забезпечував достатньої ефективності охолодження, тому навіть при середньому завантаженні процесора регулятор піднімав напруга живлення кулера до максимального значення. Ситуація виправилася після заміни вентилятора на більш продуктивний, зі збільшеним діаметром лопатей. Зараз повні оберти вентилятор набирає тільки при тривалій роботі процесора з практично 100% завантаженням.
Леонід Рідіка ( [email protected] )
Опубліковано - 6 серпня 2001 р
Хотілося б відзначити вдалий вибір електронних складових першої з схем, особливо це стосується компаратора на ІМС К554СА3 (КР554СА3 або LM311). Однак потенціал компаратора К554СА3 використаний тільки наполовину: в пристрої термоконтроля ІМС К554СА3 застосована в стандартному включенні, в цьому випадку навантаження (вентилятор) управляється по «загальному» (земляному) проводу (навантаження включена між плюсом харчування і виходом компаратора з відкритим колектором (висновок 9 ІМС ), а вихід з відкритим емітером (висновок 2) підключений на землю. Якщо вентилятор обладнаний таходатчіка, то вже не можна управляти вентилятором по «загальному» проводу. Але ІМС К554СА3 дозволяє використовувати для управління навантаженням і вихід з ОЕ. У цьому випадку вихід ІМС з ОК підключається до плюса джерела живлення, навантаження включається між виходом ІМС з ОЕ і загальним проводом, а вихід таходатчіка підключається безпосередньо до роз'єму материнської плати комп'ютера. При цьому входи компаратора інвертуються.
На малюнку представлений варіант пристрою термоконтроля вентилятора на ІМС К554СА3 з керуванням навантаженням по схемі з ОЕ. Цокольовка ІМС дана для варіанту К554СА3 (в корпусі з 14-ю висновками), в дужках вказані висновки для КР554СА3 або LM311 (в корпусі з 8-ю висновками).
Внаслідок инвертирования входів компаратора ланцюг ООС на R8 C2 включена між неінвертірующего входом компаратора (висновок 3) і виходом ІМС з ОЕ (висновок 2). На схемі наведені дещо інші, в порівнянні з першоджерелом, номінали опорів R4 і R6, так як був застосований стабілітрон на іншу напругу і замість транзистора КТ814 використовувався КТ816. Для поліпшення роботи пристрою в схему доданий резистор R9.
Схема змонтована на невелику плату з текстоліту. Транзистор VT1 винесено за межі плати і закріплений на радіаторі кулера. Для електричної ізоляції колектора транзистора VT1 від корпусу радіатора використовувалася тонка пластина слюди, вирізана за розмірами транзистора з невеликим (близько 1 мм) запасом по краях. Для поліпшення теплообміну слюдяная пластина була змазана з обох сторін непроводящей термопастой.
Якщо передбачається використовувати навантаження з високим струмом споживання, то можна до виходу компаратора підключити додатковий транзистор типу npn (КТ815 або КТ817).
Нагадаю, що температурний коефіцієнт двухполюсника на транзисторі VT1 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 харчування, і тоді схема працювати вже не буде. В описуваному регуляторі температурний коефіцієнт обраний рівним приблизно - 20 мВ / ° C, при цьому пряме падіння напруги становить близько 6 В. »
Регулювання схеми не відрізняється від описаної в першій статті: «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 починає обертатися крильчатка. Налаштовуючи регулятор, можна домогтися обертання вентилятора на мінімально можливих оборотах при температурі радіатора, скажімо, близькою до навколишнього. »
R5 відповідає за зсув регулювальної характеристики, а R8 - за її нахил. Величина опору R8 лежить в діапазоні від 100 кОм до 1 МОм. Чим більше опір, тим при більш низькій температурі радіатора вентилятор буде досягати максимальних обертів. Температура радіатора, при якій досягаються повні оберти вентилятора, повинна «відставати» на 5-10 ° C від критичної, при якій вже порушується стабільність системи.
Добитися нормальної роботи схеми можна підбором опорів R4 і R6 дільника R4 R5 R6 так, щоб при нормальних умовах (температура близько 25-30 ° C) напруга на емітер VT1 знаходилося в інтервалі між напруженнями на верхньому і нижньому (за схемою) висновках підлаштування опору R5 .
На закінчення хотілося б відзначити, що через особливості обраної схеми включення ІМС максимальна напруга на виході компаратора, т. Е. На вентиляторі, не перевищує 9,8 В. Тому вентилятор должнен бути взятий з запасом по продуктивності.
Може виникнути резонне питання: «Як так вийшло, що для лінійного регулювання застосовується компаратор, а не операційний підсилювач?