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Control del ventilador del ordenador

Las cajas de ordenador de formato torre completa pueden contener varios ventiladores de refrigeración. En la parte superior de la caja se encuentra el controlador de ventiladore...

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Las cajas de ordenador de formato torre completa pueden contener varios ventiladores de refrigeración. En la parte superior de la caja se encuentra el controlador de ventiladores.

El control del ventilador consiste en la gestión de la velocidad de rotación de un ventilador eléctrico. En los ordenadores, se utilizan diversos tipos de ventiladores para proporcionar una refrigeración adecuada , y diferentes mecanismos de control equilibran su capacidad de refrigeración y el ruido que generan. Esto se suele lograr mediante placas base con circuitos de monitorización de hardware , que el usuario final puede configurar a través de la BIOS u otro software para controlar el ventilador. [ 1 ]

Necesidad de control del ventilador

A medida que los ordenadores modernos se vuelven más potentes, también lo hacen sus necesidades de energía eléctrica . Los ordenadores emiten esta energía eléctrica en forma de calor generado por todos sus componentes principales . La producción de calor varía con la carga del sistema, de modo que los periodos de actividad computacional intensiva generan mucho más calor que los periodos de inactividad . [ 1 ]

Los procesadores de la mayoría de los primeros ordenadores basados ​​en x86, incluidos algunos de los primeros 486 , no necesitaban ventilación activa. Las fuentes de alimentación sí requerían refrigeración forzada, y sus ventiladores también distribuían aire de refrigeración por el resto del PC con el estándar ATX . Como consecuencia del aumento de la generación de calor, los ventiladores deben mover mayores cantidades de aire y, por lo tanto, ser más potentes. Dado que deben mover más aire por el mismo espacio, los ventiladores se vuelven más ruidosos.

Los ventiladores instalados en una carcasa de PC pueden generar niveles de ruido de hasta 70 dB . Dado que el ruido del ventilador aumenta con la quinta potencia de su velocidad de rotación , [ 2 ] reducir ligeramente las revoluciones por minuto (RPM) puede suponer una gran reducción del ruido. Esto debe hacerse con precaución, ya que una reducción excesiva de la velocidad puede provocar el sobrecalentamiento y el daño de los componentes. Si se hace correctamente, el ruido del ventilador se puede reducir drásticamente.

Conectores de ventilador

Los ventiladores de refrigeración comunes que se utilizan en las computadoras emplean conectores estandarizados de dos a cuatro pines. Los dos primeros pines siempre se utilizan para suministrar energía al motor del ventilador, mientras que el resto pueden ser opcionales, dependiendo del diseño y el tipo de ventilador.

  • Terreno – terreno común 
  • Vcc (Alimentación) : nominalmente una fuente de alimentación de +12 V, aunque puede variar dependiendo del tipo de ventilador y la velocidad de rotación deseada.  
  • Salida del sensor (o tacómetro) del ventilador : emite una señal que pulsa dos veces por cada revolución del ventilador como un tren de pulsos, con una frecuencia de señal proporcional a la velocidad del ventilador. 
  • Entrada de control : una señal de entrada de modulación por ancho de pulso (PWM), utilizada cuando el conjunto del ventilador de refrigeración cuenta con un circuito controlador de motor interno. Los conjuntos de ventiladores con esta entrada de control permiten ajustar la velocidad de rotación del ventilador sin modificar la tensión de entrada suministrada al conjunto. Una velocidad de rotación variable permite ajustar el caudal de refrigeración según la demanda, reduciendo el ruido del ventilador y ahorrando energía cuando no se requiere la máxima velocidad. 

El color de los cables conectados a estos pines varía según el número de conectores, pero la función de cada pin está estandarizada y se garantiza que sea la misma en cualquier sistema. Los ventiladores de refrigeración equipados con conectores de dos o tres pines suelen estar diseñados para aceptar un amplio rango de voltajes de entrada, lo que afecta directamente a la velocidad de rotación de las aspas.

Tipos de control

Termostático

En este sistema de control de ventiladores, estos se encienden o se apagan. Se comprueba la temperatura dentro del chasis y, si se detecta una temperatura fuera del rango normal, los ventiladores se ajustan a su velocidad máxima. Cuando la temperatura vuelve a descender por debajo de un umbral, los ventiladores se apagan. Este método de control reduce el ruido y el consumo de energía durante los periodos de bajo uso, pero cuando el sistema funciona a pleno rendimiento, el ruido de los ventiladores puede volver a ser un problema.

Regulación lineal de voltaje

Un ventilador de refrigeración estándar es un motor de corriente continua con aspas. Al variar el voltaje de entrada dentro del rango aceptable para un ventilador, su velocidad aumenta (con un voltaje mayor) y disminuye (con un voltaje menor); un ventilador más rápido mueve más aire y, por lo tanto, genera una mayor tasa de intercambio de calor. Existen varias maneras de regular esta velocidad, como se describe a continuación.

Resistencias

Las resistencias en serie con el pin de alimentación del ventilador son el método más sencillo para reducir el ruido, pero aumentan el calor generado dentro de la carcasa del ordenador . Dado que la caída de tensión es proporcional a la corriente, el ventilador podría no arrancar. Deben tener la potencia nominal adecuada. Para un control variable del ventilador, se pueden usar potenciómetros junto con un transistor , como un MOSFET , cuya tensión de salida se controla mediante el potenciómetro. También es posible usar un reóstato .

Diodos

Un diodo en serie con el ventilador reducirá la tensión que se le suministra. Un diodo de silicio proporciona una caída de tensión relativamente constante de aproximadamente 0,7  V por diodo; las hojas de datos de un diodo específico especifican su caída de tensión; por ejemplo, la caída de tensión del diodo de silicio 1N4001 varía de aproximadamente 0,7 a 0,9  V cuando la corriente varía de 0,01 a 1  A. [ 3 ] Debe tenerse en cuenta la potencia nominal y algunos diodos pueden requerir refrigeración para funcionar a su corriente nominal. La caída de tensión a través del diodo disminuirá con la temperatura, lo que provocará que el ventilador aumente su velocidad.

Al igual que otros reguladores en serie, el diodo disipará una potencia igual a su caída de tensión multiplicada por la corriente que lo atraviesa.

Modificación de voltaje ("volt modding")

El voltaje que recibe un ventilador de refrigeración de computadora se define por la diferencia entre el cable de voltaje (+12  V) y el cable de tierra (+0  V). Al conectar uno o ambos cables a un voltaje diferente, el voltaje que recibe el ventilador será distinto de los 12  V predeterminados para los que fue diseñado.

Se puede aumentar el voltaje por encima de los 12  V predeterminados conectando la línea de alimentación de −12  V o −5  V en lugar del cable de tierra en el conector del ventilador, y conectando la  línea de alimentación de 5 V en la  entrada de +12 V del conector del ventilador. [ 4 ] Mediante este procedimiento,  se pueden alcanzar voltajes de 10, 17 y 24 V, aunque los voltajes que superan los 12  V pueden dañar los ventiladores de computadora con una clasificación de 12 V. Sin embargo, los sistemas modernos son menos adecuados para la modificación de voltaje de los ventiladores, ya que las fuentes de alimentación modernas no necesariamente proporcionan una línea de alimentación  de −5 V, y la línea de −12 V generalmente permite una corriente inferior a 1 A.   

Otro método para reducir la velocidad del ventilador [ 5 ] consiste en mover el  cable de 5 V del conector de alimentación Molex que va al ventilador al lugar del cable de tierra, suministrando así +7  V (12  V − 5  V = 7  V) al ventilador. Sin embargo, este método es arriesgado, ya que la  línea de +5 V de la fuente de alimentación está diseñada para suministrar corriente únicamente, no para absorberla, por lo que la fuente de alimentación podría dañarse si la carga en la  línea de 5 V es inferior a la carga generada por  los ventiladores de 7 V (por ejemplo, cuando el PC entra en estado de reposo o suspensión). Además, los componentes internos del ordenador que utilizan  alimentación de +5 V podrían exponerse a más de 5  V en caso de un cortocircuito en el ventilador.

Reguladores lineales integrados o discretos

Controlador de ventilador SMSC EMC2102 basado en velocidad de rotación con apagado térmico por hardware

Los circuitos integrados reguladores de voltaje comunes, como la popular serie LM78xx, se utilizan a veces para proporcionar voltaje variable o constante a los ventiladores. Cuando se unen térmicamente al chasis del ordenador, uno de estos circuitos integrados puede proporcionar hasta 1  A de corriente a un voltaje de 6, 8, 9 o 10  V para los modelos LM7806, LM7808, LM7809 y LM7810, respectivamente. [ 6 ] También existen versiones ajustables, como el popular LM317 ; cuando se combinan con un potenciómetro, estos reguladores ajustables permiten al usuario variar la velocidad de varios ventiladores con corrientes muy superiores a las que podría soportar un potenciómetro estándar. [ 7 ]

Para corrientes elevadas, los reguladores lineales discretos son relativamente fáciles de construir utilizando un transistor de potencia o un MOSFET y un transistor de pequeña señal o un diodo Zener como referencia de voltaje. Si bien los reguladores discretos requieren componentes adicionales (un mínimo de dos transistores, tres resistencias y un pequeño condensador), permiten corrientes arbitrariamente altas, lo que posibilita la regulación de ventiladores y accesorios adicionales.

Al igual que con otros reguladores lineales, el calor residual que se produce será aproximadamente P = ( V in - V out ) I out . [ 8 ]

Modulación por ancho de pulso

La modulación por ancho de pulso (PWM) es un método común para controlar los ventiladores de las computadoras. Un ventilador compatible con PWM generalmente se conecta a un conector de 4 pines (configuración de pines: tierra, +12  V, detección, control). El pin de detección se utiliza para transmitir la velocidad de rotación del ventilador y el pin de control es una salida de drenaje abierto o colector abierto, que requiere una resistencia de polarización a 5  V o 3,3  V en el ventilador. A diferencia de la regulación de voltaje lineal, donde el voltaje del ventilador es proporcional a la velocidad, el ventilador se alimenta con un voltaje constante; el control de velocidad lo realiza el ventilador en función de la señal de control.

La señal de control es una onda cuadrada que opera a 25  kHz, y el ciclo de trabajo determina la velocidad del ventilador.  Se utilizan 25 kHz para elevar el sonido de la señal por encima del rango de audición humana; el uso de una frecuencia más baja podría producir un zumbido o silbido audible. Normalmente, un ventilador puede funcionar entre aproximadamente el 30 % y el 100 % de su velocidad nominal, utilizando una señal con un ciclo de trabajo de hasta el 100 %. El comportamiento exacto de la velocidad a niveles bajos de control (lineal, apagado hasta un valor umbral o velocidad mínima hasta un umbral) depende del fabricante. [ 9 ]

Muchas placas base incorporan firmware y software que regulan estos ventiladores en función de la temperatura del procesador y de la carcasa del ordenador.

Controladores de velocidad de ventilador

Un controlador de ventilador con LED que indican el estado del ventilador y potenciómetros e interruptores para controlar la velocidad del ventilador.

Otro método para controlar la velocidad del ventilador es mediante un controlador manual. Existen dispositivos disponibles comercialmente que se pueden instalar en una ranura de expansión o en una bahía de unidad de 5,25" o 3,5" , o bien vienen integrados en la carcasa del ordenador. Mediante interruptores o perillas, se puede ajustar la velocidad de los ventiladores conectados utilizando alguno de los métodos mencionados.

Hardware

La mayoría de las placas base modernas incorporan chips de monitorización de hardware , capaces de controlar los ventiladores, [ 1 ] normalmente mediante el método PWM descrito anteriormente. Estos chips pueden configurarse a través de la BIOS , [ 10 ] : §11.1 o mediante software especializado una vez que el sistema operativo se haya iniciado.

Los procesadores generan distintos niveles de calor según la carga del sistema; por lo tanto, conviene reducir la velocidad de los ventiladores durante el reposo para disminuir el ruido que producen al funcionar a máxima velocidad, hasta que la carga aumente, momento en el que la velocidad de los ventiladores debe ajustarse rápidamente para evitar el sobrecalentamiento. Los chips de monitorización de hardware modernos, una vez configurados, son capaces de ejecutar este ciclo de monitorización de forma independiente, sin necesidad de una BIOS o un sistema operativo. Este control automático que ofrecen algunos chips puede denominarse modo de control térmico para mantener un rango térmico, así como modo de control de velocidad del ventilador para mantener automáticamente una velocidad específica del ventilador. [ 10 ] : §12

Sin embargo, no todo el software es capaz de acceder a estos parámetros de configuración avanzados proporcionados por algunos chips, y es muy común que el software genérico implemente solo la interfaz más básica con los chips, a saber, una configuración explícita para el ciclo de trabajo para cada configuración de control del ventilador, realizando posteriormente los ajustes del ciclo de trabajo por sí mismo en el software, y por lo tanto requiriendo que tanto el sistema operativo como este software de terceros continúen ejecutándose en la CPU principal para realizar el bucle de monitoreo. [ 10 ] : §11.3 Esto puede no ser un problema hasta que el sistema o la utilidad se bloquee, momento en el cual el sistema puede sobrecalentarse debido a que los ventiladores no pueden mantener una refrigeración adecuada mientras funcionan a voltaje y velocidad reducidos.

Software

Actualmente, muchas empresas ofrecen software para controlar la velocidad de los ventiladores de sus placas base en Microsoft Windows o Mac OS X/macOS. Cada placa base utiliza un software diferente. También existen programas de terceros compatibles con diversas placas base que permiten una amplia personalización del comportamiento de los ventiladores en función de las lecturas de temperatura de la placa base, la CPU y los sensores de la GPU, además de ofrecer control manual. Dos ejemplos de estos programas son SpeedFan [ 11 ] y Argus Monitor [ 12 ] .

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Constantine A. Murenin (17 de abril de 2007). "1. Antecedentes". Interfaz generalizada con monitores de hardware de sistemas de microprocesadores . Actas de la Conferencia Internacional IEEE de 2007 sobre Redes, Detección y Control, 15-17 de abril de 2007. Londres, Reino Unido: IEEE . págs. 901-906 . doi : 10.1109/ICNSC.2007.372901 . ISBN  978-1-4244-1076-7IEEE ICNSC 2007, págs. 901–906.
  2. ↑ Barber, Antony (1992). Manual de control de ruido y vibraciones - Antony Barber - Google Books . Elsevier Advanced Technology. ISBN 9781856170796. Consultado el 1 de enero de 2014 .
  3. ↑ "Copia archivada" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 4 de septiembre de 2012. Consultado el 26 de febrero de 2015 .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: copia archivada como título ( enlace )
  4. ↑ "Haz girar a tus fans" . Archivado del original el 09-06-2002 . Recuperado el 05-04-2017 .
  5. ↑ "Obtenga 12V, 7V o 5V para sus ventiladores" . Archivado del original el 18/09/2008 . Consultado el 03/09/2016 .
  6. ↑ "LM7808" . fairchildsemi.com . Archivado del original el 2 de abril de 2015. Consultado el 13 de agosto de 2014 .
  7. ↑ "LM317 - Regulador lineal (LDO) de un solo canal - Descripción y parámetros" . ti.com .
  8. ↑ "Consideraciones térmicas para reguladores lineales" . 28 de noviembre de 2006. Archivado del original el 2 de abril de 2015. Consultado el 26 de febrero de 2015 .
  9. ↑ "Especificaciones de ventiladores controlados por PWM de 4 hilos" (PDF) . Septiembre de 2005. Archivado del original (PDF) el 26 de julio de 2011. Consultado el 21 de julio de 2011 .
  10. 1 2 3 Constantine A. Murenin (2010-05-21). Sensores de hardware de OpenBSD: monitorización ambiental y control de ventiladores ( tesis de MMath ). Universidad de Waterloo : UWSpace. hdl : 10012/5234 . ID del documento: ab71498b6b1a60ff817b29d56997a418.
  11. ↑ "SpeedFan - Acceda al sensor de temperatura de su ordenador" .
  12. ↑ "Argus Monitor: software para controlar los ventiladores de la CPU, la GPU y el sistema utilizando cualquier fuente de temperatura del PC disponible" . 9 de julio de 2021.
  • Por qué y cómo controlar la velocidad del ventilador (de 2, 3 y 4 cables) para la refrigeración de equipos electrónicos , Analog Devices
  • Controlar la velocidad de los ventiladores en Linux en placas base PWM, Thinkpads y ASUS Eee PC.