INFORMAZIONI TECNICHE

Le ventole del PC 
Le ventole termo controllate


Controlli termici per le ventole

I componenti "caldi" nel PC non sono sempre "caldi" alla stessa maniera : dipende da cosa stanno facendo, da quanta potenza stanno assorbendo per il loro lavoro. Ad esempio, l' alimentatore, usato in percentuale bassa delle sue possibilitÓ, tenderÓ a scaldare di meno che se usato a piena potenza. Cosý pure la CPU o la GPU e un disco in attesa di essere letto o scritto scalderÓ meno di uno soggetto a frenetici cicli di accesso. 
Se la ventola utilizzata per smaltire il calore ha una velocitÓ fissa, questa dovrÓ essere calcolata sulla base della massima prestazione necessaria e quindi si troverÓ ad essere sovra utilizzata negli altri momenti in cui il consumo di energia Ŕ minore; in sostanza, la ventola a "tutto gas" produrrÓ pi¨ movimento di aria e pi¨ rumore di quello realmente necessario nella maggior parte del tempo. 
L' ideale, dunque, sarebbe una ventola che adeguasse la sua velocitÓ alle variazioni della temperatura, in modo da girare lentamente (e silenziosamente) quando serve un basso flusso di aria ed accelerare poi quando l' aumento delle temperatura richiede una flusso pi¨ sostenuto. 
Ad esempio, negli alimentatori Ŕ contenuta una ventola (o pi¨) che ha il duplice scopo di raffreddare i componenti elettronici interni e di produrre un flusso di aria all'interno del PC . L' aria Ú aspirata all' interno del case e soffiata verso l'esterno.  Se la temperatura ambiente non Ú elevata e la potenza dissipata dai vari componenti Ú limitata , non occorre che questa ventola, solitamente ben dimensionata, vada a piena velocitÓ, generando un rumore sensibile : giÓ da tempo, in base a questa considerazione viene inserito un circuito elettronico ausiliario per regolare , mediante un sensore termico , la velocitß di rotazione delle pale della ventola , e quindi il flusso di aria , adattandolo alla situazione .

La soluzione pi¨ comune Ŕ quella presentata nell'immagine : si tratta di un tipico sistema di controllo della velocitß in funzione della temperatura, estremamente semplice, ma sufficientemente funzionale.

Il piccolo circuito stampato contiene due transistor e alcuni componenti passivi (resistenze e condensatori) ; la pastiglia verde che sporge a sinistra Ŕ il sensore di temperatura o termistor; tecnicamente si tratta una resistenza NTC .

Questo circuito Ú posizionato vicino all' area di cui si vuole controllare la temperatura. Circuiti del genere solitamente si trovano all' interno di alimentatori; vengono aggiunti alla normale ventola per ridurne il rumore senza modificare la struttura dell' alimentatore stesso. .

L'alimentazione a 12V arriva con il cavo rosso/nero mentre la tensione variabile Ŕ disponibile al connettore a due poli in alto a destra, a cui viene collegata la ventola .

Come detto, il termistor Ŕ una resistenza NTC (Negative Temperature Coefficent = resistenza a coefficiente di temperatura negativo), ovvero pi˙ alta Ú la temperatura, minore Ú la resistenza; viene fabbricata con particolari materiali che variano il loro valore resistivo a seconda della temperatura. Queste variazioni sono usate per comandare un semplice amplificatore a transistor che, agendo come resistenza variabile, regola la tensione al motore della ventola.
Il sistema qui sopra visto pu˛ essere realizzato in vari modi, anche integrandolo nel circuito principale dell' alimentatore. E' estremamente semplice, per non dire semplicistico, ma funziona e  permette di utilizzare una qualsiasi comune ventola, sia a due che a tre fili. Infatti, anche se l' azione della regolazione agisce sulla tensione di alimentazione del motore, nulla vieta che si possa disporre di connettore a tre pin per fornire il segnale tachimetrico : l' uscita open collector permette, entro margini abbastanza ampi, di avere differenti tensioni sul motore e sul pull up esterno del segnale tachimetrico.

Normalmente in questi circuiti, a PC appena acceso e con temperatura ambiente sotto i 20 gradi , la ventola si muove a bassa velocitß, alimentata con circa la meta della tensione; mentre la temperatura sale a causa delle varie unitß in funzione ( CPU , Hard disk , ecc.) l' aria aspirata sarß pi˙ calda e di conseguenza la velocitß aumenterÓ per mantenere costante l' effetto refrigerante . Si ottiene cosi una riduzione della potenza impiegata ed una notevole riduzione del rumore . 
La soluzione Ŕ molto economica e funzionale; richiede il circuito esterno, ma permette di usare una qualunque ventola. Per contro non Ŕ un sistema molto preciso, nŔ molto raffinato : con l' elettronica si pu˛ fare di meglio.

Le ventole termo controllate

Si Ŕ trovato il modo di integrare questa funzione nella ventola stessa, in modo da non richiedere elementi esterni; dalla ventola sporgerÓ solo il sensore di temperatura. Questo Ŕ facilmente realizzabile da quando alcuni costruttori di semiconduttori hanno progettato e prodotto dei controller per questo scopo

A fianco, una ventola di questo genere disassemblata.

Si pu˛ notare che la struttura del motore Ŕ del tutto identica a quella fino ad ora vista, con il rotore a cui Ŕ fissato il magnete permanente e lo statore a 4 espansioni polari.
.
Piuttosto, uno sguardo pi¨ attento rileva che il circuito stampato ha una insolita densitÓ di piste e componenti surface mount, indice di una maggiore complessitÓ rispetto a quanto fino ad ora visto.

Questo Ŕ dovuto alla relativa complessitÓ del controller che integra numerose funzioni. 
A differenza del sistema realizzato con il circuito precedente, qui abbiamo a che fare con un controllo in PWM che agisce direttamente sui drive di comando delle bobine dello statore.

Nell' immagine, come esempio, Ŕ riportato lo schema a blocchi di uno di questi controller, in particolare della famiglia ZXBM2000 della
Zetex.
Un sensore di temperatura, la classica NTC giÓ vista prima (Rtherm nello schema) controlla la regolazione della velocitÓ attraverso un raffinato sistema PWM (Pulse Width Modulation) che agisce sul controllo di fase e i driver dei transistor di potenza (esterni) che a loro volta comandano le bobine. Il solito sensore di Hall fornisce gli impulsi di sincronismo.

Il piccolissimo chip contiene anche una serie di funzioni sofisticate :

  • la possibilitÓ di predisporre la velocitÓ minima della ventola con una resistenza esterna

  • il rilevamento e la protezione della condizione di rotore bloccato

  • il riavvio automatico dopo un blocco della rotazione

  • la programmazione della corrente dei drive delle bobine 

  • l' uscita sia per il segnale tachimetrico che per un eventuale segnale di blocco

Questo controllo PWM interno non agisce sull' alimentazione, ma sul controllo di fase e sui driver integrati; questo Ŕ molto importante in quanto, sincronizzandosi con gli impulsi provenienti dal sensore di Hall, evita tutta quella serie di problemi di rumore e disturbo elettrico che si avrebbero nel caso di una variazione PWM della tensione di alimentazione.

Normalmente queste ventole hanno disponibile esternamente l' uscita open collector per il segnale tachimetrico (FG nello schema), utilizzando il classico connettore Molex a tre poli, mentre, a meno di particolari implementazioni OEM, non Ŕ riportato esternamente il segnale di allarme per blocco della rotazione (RD nello schema), dato che richiederebbe un connettore a 4 poli non standardizzato; inoltre, questa funzione Ŕ normalmente eseguibile dalle risorse dell' health monitor della scheda madre, per cui sarebbe superflua.

La frequenza del PWM pu˛ essere impostata con un condensatore esterno per ridurre al minimo il rumore dovuto alla commutazione e viene situata a valori abbastanza alti (20kHz o pi¨).

La variazione dell' ampiezza degli impulsi di commutazione (PWM) corrisponde alla variazione della velocitÓ di rotazione; l' andamento in funzione della temperatura Ŕ riportato nel grafico a lato.


Il sistema mantiene la ventola a velocitÓ minima per temperature fino a circa 20 gradi. Poi l' andamento della curva cresce in modo pressochŔ lineare tra 25 e 50 gradi, limite oltre al quale si raggiunge il 100% della velocitÓ.

La curva di regolazione Ŕ ideale : la velocitÓ della ventola Ŕ minima da 0 a circa 25 gradi, temperature tipiche ambientali; nel momento in cui la temperatura sale, anche la velocitÓ aumenta. Pi¨ la temperatura sale oltre i 25 gradi, pi¨ aumenta la velocitÓ fino ad arrivare al massimo appena oltre i 50 gradi, temperatura considerabile come limite per l' aria interna delle apparecchiature elettroniche.

Questo presentato Ŕ solo un esempio di possibile applicazione : altri produttori hanno in catalogo chip analoghi.

Nell' implementazione pratica, una ventola termo controllata, ad un esame superficiale, si presenta del tutto simile ad una ventola comune.  Osservando il numero dei fili che escono dal circuito stampato, si potrÓ notare che sono in numero maggiore; infatti ne sono necessari due in pi¨ per collegare il sensore termico.

Il sensore termico normalmente Ŕ esterno alla carcassa, collegato con un breve cavo, allo scopo di valutare la temperatura in una area specifica nei dintorni della ventola, che diventa un insieme completo ed auto sufficiente, richiedendo solo la tensione di alimentazione. 

Qui a lato vediamo una Papst 92NGM; il termistor Ŕ la piccola capocchia gialla che Ŕ stata piegata al centro della ventola.
E' collegato al circuito stampato con due bervi spezzoni di cavetto rosso
; le saldature sono protette da una guaina termo stringente.

Il sensore termico solitamente Ŕ di piccole dimensioni, per rispondere con maggior prontezza alle variazioni di temperatura e pu˛ assumere forme molto diverse a seconda dell' applicazione prevista. Ad esempio pu˛ assumere la forma di un piccolo bullone per essere avvitato su un dissipatore oppure quella di una sottile striscia per essere infilato in spazi molto angusti. Alcuni modelli sono venduti senza sensore e l' utilizzatore potrÓ collegare quello che ritiene pi¨ adatto alla sua applicazione.

E' opportuno osservare che una ventola termo controllata pu˛  essere o no dotata di segnale tachimetrico. Dovrebbe essere ormai chiaro, per quanto detto fino ad ora, che la funzione di controllo della velocitÓ in relazione della temperatura Ŕ cosa del tutto diversa dall' uscita del segnale tachimetrico proporzionale alla velocitÓ.

Il modello nella foto, ad esempio, Ŕ del tipo tachimetrico. Altri prodotti non dispongono di questo segnale.

Una ventola, quindi, pu˛ avere il segnale tachimetrico (ventola tachimetrica), ma non essere per nulla dotata di regolazione della velocitÓ in funzione della temperatura, mentre una ventola termo controllata del tipo qui visto pu˛ benissimo avere o non avere l' uscita tachimetrica.

Dove Ŕ utile una di queste ventole ?
In generale, ovunque sia richiesto un controllo locale della velocitÓ in funzione della temperatura , dove questa temperatura varia entro un ampio raggio per cui una ventola a velocitÓ fissa sarebbe una fonte di inutile rumore. Ad esempio, soluzioni del genere sono normalmente implementate su dissipatori per CPU e chip, in sistemi di raffreddamento per dischi, alimentatori, chassis, ecc.
Quando un controller esterno che esegua questa funzione non Ŕ disponibile o non facilmente implementabile, le ventole dotate di controllo autonomo della velocitÓ sono un' ottima soluzione per bilanciare efficacia di raffreddamento e rumore.

Come si Ŕ appena visto , la circuiteria interna Ŕ pi¨ complessa di quella di una ventola normale; inoltre Ŕ richiesta la resistenza di rilevamento della temperatura esterna, per cui il costo delle ventole termo controllate Ŕ certamente maggiore di quello delle ventole normali .

Confronto tra ventole tachimetriche e ventole controllate
Se, dopo tutto quanto detto,  esiste ancora per una certa confusione sui due tipi di ventole, la tabella riassume le differenze principali :

Tipo Velocitß Cavi di collegamento Segnali in uscita Funzioni
Normale

costante

2 fili
Positivo
Negativo
nessuno
  • Gira a velocitÓ costante dipendente dalle sue caratteristiche e dalla tensione di alimentazione

  • Pu˛ essere collegata alla scheda madre o al controller che ne regola la velocitÓ

  • Non Ŕ in grado di fornire il segnale proporzionale alla rotazione. Se il dispositivo di controllo dispone di un segnale di allarme per ventola ferma, questo, in assenza del segnale tachimetrico, indicherÓ la ventola come difettosa ed quindi andrÓ escluso.

Tachimetrica 3 fili
Positivo
Negativo
Segnale tach.
tachimetrico 
(segnale proporzionale alla velocitß)
  • Gira a velocitÓ costante dipendente dalle sue caratteristiche e dalla tensione di alimentazione

  • Pu˛ essere collegata alla scheda madre o al controller che ne regola la velocitÓ

  • E' dotata di segnale tachimetrico e fornisce il segnale proporzionale alla rotazione in modo da poterne leggere la velocitÓ ed impostare un allarme per ventola difettosa.

 
Termo Controllata variabile con la temperatura 2 fili
Positivo
Negativo

nessuno

  • Gira a velocitÓ variabile dipendente dalla temperatura rilevata dal suo sensore. La velocitÓ dipende anche dalle sue caratteristiche e dalla tensione di alimentazione. 

  • Anche se si pu˛ variarne la velocitÓ collegandola alla scheda madre o ad un regolatore apposito, queste ventole sono essenzialmente progettate per funzionare da sole alla tensione nominale, senza alcuna regolazione esterna. 

  • Non Ŕ dotata di segnale tachimetrico.

Termo Controllata
tachimetrica
3 fili
Positivo
Negativo
Segnale tach.
tachimetrico 
(segnale proporzionale alla velocitß)
  • Gira a velocitÓ variabile dipendente dalla temperatura rilevata dal suo sensore. La velocitÓ dipende anche dalle sue caratteristiche e dalla tensione di alimentazione. 

  • Anche se si pu˛ variarne la velocitÓ collegandola alla scheda madre o ad un regolatore apposito, queste ventole sono essenzialmente progettate per funzionare da sole alla tensione nominale, senza alcuna regolazione esterna. 

  • E' dotata di segnale tachimetrico e fornisce il segnale proporzionale alla rotazione in modo da poterne leggere la velocitÓ ed impostare un allarme per ventola difettosa.

 


 

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Aggiornato il 08/03/07.