Главная » Компьютерная электроника
Призовой фонд
на октябрь 2017 г.
1. Термометр Relsib WT51
Рэлсиб
2. 1000 руб
PCBWay
3. Регулируемый паяльник 60 Вт
Паяльник
4. 100 руб.
От пользователей

Терморегулирование 3х- и 2х-контактных вентиляторов с системной платы ПК

Существует большое количество различных радиолюбительских схем управления вентиляторами. Не вдаваясь в подробности анализа удачности того или иного технического решения, перечислю распространённые проблемы и недостатки большинства существующих схем управления:

  1. Невозможность/некорректность работы таходатчика по причине находящегося в цепи массы регулирующего элемента или импульсного питания вентилятора;
  2. Снижение эффективности системы охлаждения на больших тепловых нагрузках из-за узкого диапазона частот вращения или невозможности регулятора выдавать полное (паспортное) напряжение на вентилятор;
  3. Дополнительный акустический шум и вибрация вентилятора по причине его питания ШИ-модулированным импульсным током;
  4. Нагрев элементов регулятора, работающих в линейном режиме;
  5. Ненадёжный пуск вентилятора на малых оборотах из-за большого сопротивления в цепи питания;
  6. Сильная зависимость оборотов от количества вентиляторов, подключенных к выходу одного регулятора.

Во всех современных системных платах есть технологии понижения шума процессорного кулера. Названия разные - SmartFAN, QuietFAN и т.п. Управление этой технологией производится через BIOS. На рис. 1 на примере BIOS системной платы MSI MS-7519 (AMIBIOS) показана страница настройки параметров технологии термоконтроля.

Рис.1 Страница BIOS PC Health
Рис.1 Страница BIOS PC Health

Настраиваемыми являются следующие параметры.

  • CPU Smart Fan Target - установка целевой температуры, при превышении которой, плата начнёт повышать заполнение управляющего сигнала #CONTROL 4-пинового разъёма.
  • CPU Min FAN SPEED (%) - минимальный коэффициент заполнения сигнала #CONTROL для поддержания минимальных оборотов кулера на температурах ниже целевой. На моей плате доступны 8 значений с шагом 12,5% от 0 до 87,5%.

Различаются три зоны регулирования оборотов вентилятора. Первая зона – ниже CPU Smart Fan Target. Скорость вращения в этой зоне определяется настройкой CPU Min FAN SPEED (%). Нужно ли вращаться вентилятору, когда температура процессора ниже 40°C – отдельный вопрос, но в данном случае мне это очень пригодилось. Об этом будет сказано отдельно.

По достижении температуры CPU Smart Fan Target, начинается зона активного ШИ-регулирования. Системная плата увеличивает коэффициент заполнения сигнала #CONTROL пропорционально отклонению температуры ЦПУ от Smart Fan Target. Этот коэффициент пропорциональности измеряется в %/°C, показывает, насколько остро система будет реагировать на превышение заданной температуры. В моём случае коэффициент не регулируется через BIOS, и скрыт от пользователя. Есть системные платы, позволяющие его корректировать. К этому надо быть готовым – не все сходу могут разобраться с настройками терморегулирования, учитывая их разнообразные названия (но единую сущность).

По достижении 100% заполнения сигнала #CONTROL, начинается зона, в которой вентилятор работает на полную производительность. Обычно, соответствует высоким нагрузкам на ЦПУ. Слишком частый выход на полные обороты может указывать на то, что система охлаждения плохо справляется с теплоотведением.

Рабочие точки системы терморегулирования вентилятора ЦПУ разобраны в [1], и показаны на рис. 2. с моими пояснениями.

Рис. 2 Рабочие точки системы терморегулирования
Рис. 2 Рабочие точки системы терморегулирования

Цоколёвка разъёма вентилятора приведена на рис.3. Если вентилятор не поддерживает ШИМ-управление частотой вращения, тогда контакт 4 – отсутствует. Если и таходатчика нет, тогда отсутствуют контакты 3 и 4. Положение выступов-ключей для 3х и 4х контактных вентиляторов - неизменное. Таким образом, у вентиляторов сохраняется совместимость по разъёмам.

Рис. 3 Цоколёвка разъёма вентилятора
Рис. 3 Цоколёвка разъёма вентилятора

Рис. 4 Сигнал #CONTROL. Горизонт – 20 мкс/дел, вертикаль – 1 В/дел
Рис. 4 Сигнал #CONTROL. Горизонт – 20 мкс/дел, вертикаль – 1 В/дел.

Параметры управляющего скоростью сигнала #CONTROL сигнала можно найти в [1]. Амплитуда – 5 В, выход типа "открытый коллектор" с подтягиванием к +5 В. Частота около 22 кГц. С разъёма CPUFAN на системной плате при работающем вентиляторе мной снята осциллограмма сигнала, показанная на рис. 4. На рис. 4, параметр CPU Min FAN SPEED (%) выставлен в BIOSе на 12,5%. Заполнение импульса составляет 12,5%, что соответствует выставленному в BIOS значению. При установке других значений, получается соответственно.

При составлении принципиальной схемы, ход мыслей был таким:

  1. подключиться к разъёму CPUFAN на системной плате.
  2. сигнал #SENSE транзитом коммутировать с соответствующим контактом 3-pin вентилятора для сохранения возможности мониторинга оборотов.
  3. регулирование 3-pin вентилятора осуществлять постоянным напряжением, относительно минуса, т.е., регулирующий элемент поместить в плюсовой цепи.
  4. Используя сигнал #CONTROL, управлять P-канальным (или PNP) ключом, коммутирующим напряжение питания +12 В.
  5. Учитывая необходимость получения постоянного напряжения питания, применить диодно-индуктивно-ёмкостной интегратор.

Получилась схема, очень похожая на обычный понижающий импульсный стабилизатор, только без явной обратной связи и контроллера, роль которого в данном случае, выполняет системная плата.

Наблюдается прямо пропорциональная (при непрерывном токе дросселя) зависимость выходного напряжения схемы от заполнения сигнала управления: Uвых~12*D (Вольт), где D – коэффициент заполнения, 0..1. Потери на активных сопротивлениях для упрощения, не берутся в расчёт. Это делает регулирование предсказуемым даже без мониторинга оборотов.

На рис. 5 показана принципиальная схема управления BLDC-вентилятором без входа ШИМ, т.е., адаптер для подключения 3х-контактного вентилятора в 4х-контактный разъём CPUFAN. В выносках показана форма сигнала в характерных точках схемы.

На рис. 6 показана принципиальная схема управления BLDC-вентиляторами "ведущий (4-pin)-ведомый (2-pin)". Условно ведущий вентилятор – процессорный, с поддержкой сигналов #CONTROL и #SENSE. Условно ведомый вентилятор (один или несколько) – обычный 2х-выводный, будет регулироваться тем же напряжением и по тому же алгоритму, что и ведущий.

Рис. 5 принципиальная схема управления BLDC-вентилятором без входа ШИМ
Рис. 5 Принципиальная схема управления BLDC-вентилятором без входа ШИМ

Рис. 6 принципиальная схема управления BLDC-вентиляторами «ведущий (4-pin)-ведомый (2-pin)»
Рис. 6 Принципиальная схема управления BLDC-вентиляторами «ведущий (4-pin)-ведомый (2-pin)»

Общая цепь питания вентилятора и таходатчика, как видно, остаётся неразрывной, регулирование осуществляется по плюсовому проводу. VT3, включён по схеме общий исток в плюсовую цепь питания, работает в ключевом режиме. Сопротивление потерь схемы складывается из Rdson и сопротивления Rdc дросселя, не превышает 1 Ом. Полное (штатное) напряжение на вентиляторе не менее 11 В, проблем с неполным использованием питающего напряжения не возникает. Вентилятор питается сглаженным напряжением с низким уровнем пульсаций, дополнительных шумов двигателя вентилятора, связанных с ШИ-регулированием нет, таходатчик и управляющие ИМС в составе двигателя работают полностью штатно. Нагрев элементов не удаётся обнаружить. Низкое выходное сопротивление схемы даёт возможность запускаться вентиляторам при выходном напряжении менее 4 В, в зависимости от типа. По этой же причине, зависимость оборотов от числа подключенных параллельно вентиляторов - небольшая и обусловлена выходным сопротивлением схемы (<1 Ом). Устраняется выбором VT3 и L1 с меньшим сопротивлением по постоянному току. При настройке BIOS системной платы, рекомендуется выставлять минимальные обороты с учётом работоспособности применяемых вентиляторов на низких напряжениях питания.

R1 – токоограничительный резистор. Его величина должна быть достаточно большой, чтобы не искажать сигнал управления #CONTROL. Транзистор VT1 инвертирует сигнал управления, заряжая затвор VT3 до -11..-12В для отпирания. VT2 с резистором смещения R2 ускоряют разрядку затвора VT3 при его закрывании. Эти меры нужны для сохранения на низком уровне потерь на переключение. Диод Шоттки - фиксирующий (нулевой), поддерживает ток дросселя в паузах между импульсами. Дроссель L1 интегрирует импульсы напряжения, выделяя их среднее значение, которое прикладывается к вентилятору.

При выставленном в BIOS параметре CPU Min FAN SPEED 37,5%, на вентиляторе наблюдается напряжение 4,2 В и он устойчиво запускается и вращается.

Защита от короткого замыкания и перегрузки выполнена на SMD PTC-предохранителе многократного действия. Конденсатор C1 необходим для исключения выбросов напряжения на входе, вызванных импульсным потреблением тока. Конденсатор С2 подавляет пульсации как с частотой ШИМ, так и с частотой коммутации самого вентилятора.

Все детали, кроме дросселя L1 и штыревых разъёмов - SMD. Резисторы – типоразмера 0805. VT3 - P-канальный МОП-транзистор (p-MOS) IRF6216 на 150 В и Rdson 0,25 Ом в корпусе SO-8. Можно и лучше с точки зрения полного заряда затвора применить ключ на 25-30 В. Маломощные биполярные транзисторы VT1, VT2 - типа MMBT3904 (маркировка 1AM, K1N). Их можно заменить на PMBT2222 (маркировка 1B), PMBT2222A (1P). Вместо VT1 можно установить малосигнальный n-МОП транзистор 2N7002 (702) без корректировки печатной платы. В этом случае R1 надо взять 1 кОм.

Диод VD2 - Шоттки SS12 (1 А, 20 В). Конденсаторы C1 и C2 - малогабаритные, танталл, 47-100 мкФ 16-20 В.

Дроссель L1- гантелька, на 500 мкГн, рабочий ток не менее 1,5 А и сопротивлением по постоянному току не более 0,5 Ом. Индуктивность L1, выбирается с учётом минимального рабочего тока нагрузки. Если предполагается работа с маломощными вентиляторами и малыми токами, индуктивность надо увеличить для сохранения режима непрерывности тока дросселя. Для перепроверки режима работы дросселя, можно воспользоваться программой Drossel из пакета All_In_One автора @Starichok (Денисенко В.)

Штыревые разъёмы – однорядные PLS. Такими к системным платам подключаются передние панели, кнопки, USB-порты. Их можно заменить соответствующими 3х- и 4х- пиновыми разъёмами с ключами предназначенными для вентиляторов.

Предохранитель F1 исполнения под поверхностный монтаж SMD1812P110TF/33, полупроводниковый от Polytronics. Вместо указанного подойдут и другие типы, например MF-MSM..(Bourns-Multifuse), mini-SMD.. (Tyco-Polyswitch) на ток срабатывания 1,5..2 А.

Схема собрана на малогабаритных платах 45*14 и 50*14 мм, с двумя отверстиями для монтажа ᴓ30 мм (рис. 7÷рис. 10). В ПК предусматривается монтаж платы на стандартном уголке от плат расширения (рис. 11). Подключение - коротким (15-20 см) 4-жильным шлейфом к разъёму CPUFAN на системной плате. К смонтированной плате подключается 3/4-пиновый кулер процессора с мониторингом оборотов. К двум другим разъёмам можно подключить вентиляторы всаса и вытяжной (2-пиновые) без мониторинга оборотов.

Рис. 7 Печатная плата схемы управления BLDC-вентилятором без входа ШИМ

Рис. 7 Печатная плата схемы управления BLDC-вентилятором без входа ШИМ

Рис. 8 Печатная плата схемы управления BLDC-вентиляторами «ведущий-ведомый»

Рис. 8 Печатная плата схемы управления BLDC-вентиляторами «ведущий-ведомый»

Рис. 9 Вид со стороны пайки печатной платы по схеме «ведущий-ведомый»

Рис. 9 Вид со стороны пайки печатной платы по схеме "ведущий-ведомый"

Рис. 10 Вид со стороны разъёмов печатной платы по схеме «ведущий-ведомый»

Рис. 10 Вид со стороны разъёмов печатной платы по схеме "ведущий-ведомый"

Рис. 11 Смонтированный в ПК и готовый к работе регулятор по схеме "ведущий-ведомый" с тремя вентиляторами

Всего собрано 2 экземпляра устройств по схеме «ведущий-ведомый» с тремя вентиляторами, которые смонтированы и работают с ПК на системных платах:

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

В первом случае глубина ШИМ-регулирования оказалась невелика, т.к. системная плата G31M-S не позволяла уменьшать заполнение #CONTROL менее 70%, но и так шум вентиляторов значительно снизился. Регулированию подверглись вентилятор корпуса (Delta AFB0812SH 80 мм, 0,51 А) и блока питания (Noname,120 мм, 0,35 А).

Во втором случае, с P43-NEO F, результат превзошёл все ожидания, обороты вентиляторов (аналогичный набор) регулируются адекватно вычислительной нагрузке, ШУМ от системы охлаждения без активно работающих ресурсоёмких приложений теперь очень небольшой. При запуске стресс-теста Aida64 со 100% загрузкой памяти и ЦП, температура последнего стабилизируется на максимальных +48-49 °C, далее роста не наблюдается. Вентиляторы все ещё не выходят на максимум, но значительно повышают обороты.

Учитывая, что ЦП – не единственный тепловыделяющий элемент внутри корпуса, полагаться на управление всеми вентиляторами лишь по температуре процессора – неправильно. Для удержания на комфортном уровне температуры жёстких дисков, также склонных к разогреву (меня их, 3 шт, не считая SSD) при длительных файловых операциях (резервное копирование, дефрагментация и т.д.), необходимо обеспечить минимальную продувку системного блока. Тут поможет настройка в BIOS вышеупомянутого параметра CPU Min FAN SPEED (%). В результате, температура дисковых накопителей, во всех режимах работы системы охлаждения, не превышает +38..+39 °C, что является неплохим результатом. 

Выводы

Удалось получить хорошую совместимость с различными, в том числе, довольно мощными корпусными вентиляторами. Появилась возможность поставить в соответствие общей вычислительной нагрузке практически все шумные системные вентиляторы. То есть, сделать ПК значительно тише, когда от него не требуется высокой производительности, при максимальном использовании существующего контура регулирования на системной плате.

Используемая литература

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

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
Для обоих вариантов схемы управления
VT1, VT2 Биполярный транзистор
MMBT3904
2 Поиск в LCSCВ блокнот
VT3 MOSFET-транзистор
IRF6216
1 Поиск в LCSCВ блокнот
VD1 Выпрямительный диод
LL4148
1 Поиск в LCSCВ блокнот
VD2 Выпрямительный диод
SS12-E3
1 Поиск в LCSCВ блокнот
L1 Катушка индуктивности"Гантелька" ᴓ10 мм 500 мкГн 0,45 Ом 1,5 А1 Поиск в LCSCВ блокнот
R1 РезисторSMD 0805 10 кОм 50 мВт1 Поиск в LCSCВ блокнот
R2 РезисторSMD 0805 2,2 кОм 50 мВт1 Поиск в LCSCВ блокнот
C1, C2 КонденсаторSMD полярный Kemet 47 мкФ х 20 В танталл2 Поиск в LCSCВ блокнот
FU1 ПредохранительSMD1812P110TF/33 Iном=1,1 А Iср=1,9 А1 Поиск в LCSCВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Теги:

Опубликована: 0 1
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (5) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0
vfiuchcikicshuusrch #
У меня на материнке асус 4 пиновый разъем для подключения кулера на проц.
а сам кулер 3х пиновый.
Асус не умеет регулировать по 3м пинам... кулер у меня крутиться на максимальных оборотах. гудит не сильно, но было бы ещё тише, если бы была регулировка оборотов.
Данную схему можно будет применить как переходник (или адаптер) с 4х пин на 3х пиновое управление и будет происходить регулировка ?
Ответить
0

[Автор]
Vslz #
Да, будет работать как переходник, я так и написал. Таходатчик тоже будет нормально работать. Данная схема - всего лишь исполнительный орган, а параметры регулирования будут зависеть от настроек терморегулирования (в BIOS) вашей платы.
Поэтому, работа кулера будет зависеть в основном от них.
Ответить
0
vfiuchcikicshuusrch #
Значит я правильно понял. Спасибо за схему.
Пробовал в инете другие, они в принципе не рабочие. Соберу Вашу, попробую, и если не забуду, отпишусь о результатах
Ответить
0

[Автор]
Vslz #
Не хотелось плодить сущности сверх необходимого - всё термодатчики и автоматика уже есть на материнках. В ПК обычно по несколько вентиляторов. А каналов регулирования (разъёмов 4 пин) - всего 1, редко -2. То есть, точно не хватит на все вентиляторы. Оставлять шумный корпусной 2-пин вентилятор работать на полных оборотах, когда остальные еле шепчут - полумера, зачем браться тогда за снижение шума? Резисторы, интегральные стабилизаторы и т.п. - проще поставить вентилятор послабее.
Предложенное решение поможет вовлечь в процесс регулирования в принципе, любое число вентиляторов, зависит от параметров силовых элементов. При общем токе вентиляторов более 1,2 А, (согласно требованиям Intel к вентиляторному разъёму CPUFAN), придется питание схемы брать с другого разъёма, например, с молекса.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется напряжение?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

МиниПК MK809V - 4 ядра, Android 4.4.2
МиниПК MK809V - 4 ядра, Android 4.4.2
Сатфайндер Конструктор регулируемого преобразователя напряжения LM317
вверх