ШИМ, PWM, DC и автоматические режимы системных и корпусных вентиляторов
Если вы когда-нибудь рылись в BIOS, возможно, вы натыкались на термины PWM, DC и Auto в разделе управления вентилятором.
В этой статье я расскажу о вентиляторах с ШИМ и постоянным током, а также о том, какие режимы использовать для эффективного охлаждения и низкого уровня шума.
PWM, DC и автоматические режимы вентилятора
Прежде чем приступить к объяснению, я сокращу его для тех, кто хочет быстрого ответа
- Если у вас 3-контактный разъём для вентилятора, выберите режим постоянного тока. С другой стороны, если у вас 4-контактный разъём для вентилятора, выберите режим PWM.
- Если разъём вентилятора вашей материнской платы имеет только 3 контакта, выберите DC независимо от того, какой у вас вентилятор.
Если вы хотите узнать больше об этих загадочных терминах, читайте дальше!
Что такое ШИМ и как он работает
Вентиляторы с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) или PWM позволяют материнским платам управлять скоростью вращения вентиляторов с помощью быстрых импульсов питания (циклов включения-выключения). Говоря просто, ШИМ-вентилятор выключается и включается очень быстро, чтобы работать на более низких скоростях.
Для этого типа вентилятора требуется 4-контактный разъём вентилятора, как показано ниже:
Как вы можете видеть на схеме выводов PWM-вентилятора выше, 4-й контакт (синий) позволяет материнской плате посылать PWM-сигнал вентилятору, который управляет его скоростью.
Постоянные импульсы мощности используются для изменения скорости вращения вентилятора в режиме ШИМ, это означает, что двигатель вентилятора быстро переключается из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ и снова в состояние ВКЛ.
Однако, напряжение (12В), подаваемое на ШИМ-вентилятор, не изменится независимо от скорости вращения вентилятора в этом режиме.
График подачи мощности для PWM-вентилятора выглядит примерно так (называемый прямоугольной или импульсной волной):
Видите эти всплески мощности («верблюжьи горбы») в каждом рабочем цикле? Это импульсы, которые поддерживают скорость вентилятора на уровне, необходимом системе.
Таким образом, скорость вентилятора в 10% рабочем цикле фактически означает, что вентилятор «включен» только в течение 10% от общего времени его работы.
Благодаря такому поведению вентиляторы с ШИМ обычно могут достигать более низких скоростей, чем их аналоги постоянного тока, при этом снижая энергопотребление в процессе.
Примечание. Некоторые вентиляторы премиум-класса с ШИМ также могут содержать компоненты, которые немного «сглаживают» этот прямоугольный сигнал, придавая ему наклон вверх и/или вниз каждый раз при обнаружении импульса.
Что такое вентиляторы постоянного тока
Вентиляторы постоянного тока немного отличаются. Во-первых, они оснащены 3-контактным разъёмом, подобным этому:
Как видите, 4-я распиновка отсутствует на вентиляторах DC.
В то время как PWM-вентиляторы полагаются на подачу одного и того же напряжения (12В), но быстро включают и выключают питание для достижения более низких скоростей, вентиляторы постоянного тока могут изменять скорость только путём изменения подаваемого на них напряжения.
Это означает, что вентилятор постоянного тока будет работать на полной скорости, когда на него подаётся напряжение 12В, но замедлится, когда это напряжение составит, скажем, 7В.
Тем не менее, эти вентиляторы по-прежнему ограничены минимальным пороговым напряжением, необходимым для поддержания вращения вентилятора, что ограничивает минимальную скорость, которую они могут достичь.
Например, вот график, показывающий, как скорость вращения вентилятора постоянного тока (в %) зависит от приложенного напряжения:
Что насчет режима авто?
Выбор AUTO оставляет за вашей материнской платой возможность определять и подавать правильный тип питания на вентилятор.
Однако, этот автоматический выбор МОЖЕТ быть неправильным, поэтому, если вы заметили какое-либо странное поведение скорости вращения вентилятора, измените его вручную.
Какой режим выбрать – DC или PWM
Приведенный выше раздел, вероятно, дал вам представление о том, что происходит, когда вы выбираете неправильный режим для вентилятора.
Если у вас есть вентилятор постоянного тока, и вы выбрали режим PWM на этом разъёме вентилятор всегда будет получать напряжение 12В. У него просто нет 4-го контакта для распознавания или управления импульсами, и, в итоге, вы получаете вентилятор, который всё время работает на 100%.
Если вы заметили, что вентиляторы вашего ПК вращаются на полной скорости при запуске, а затем останавливаются, вот почему – на некоторых платах (в основном, старых) есть небольшая задержка при пробуждении после холодного запуска, когда на вентилятор подаётся полное напряжение 12В, прежде чем перейти в режим PWM. Это одна из причин того раздражающего «оборота», когда ваш компьютер загружается.
С другой стороны, что произойдёт, если вы выберете режим постоянного тока для 4-контактного PWM-вентилятора? Ничего особо интересного. Он будет работать как обычный вентилятор постоянного тока. Вы будете ограничены определенной минимальной скоростью, но в остальном всё будет работать нормально.
PWM и шум вентилятора постоянного тока
ШИМ-вентиляторы, как правило, тише, чем вентиляторы постоянного тока, потому что иногда вы слышите больше электрического шума в некоторых двигателях, когда они работают ниже определенного напряжения.
Более того, как я уже говорил выше, вентиляторы с ШИМ могут достигать гораздо более низких скоростей, что опять же помогает бороться с шумом.
Вентиляторы постоянного тока дешевле в производстве, и вы увидите, что они широко используются в системах, предназначенных для поддержания скорости вращения вентиляторов на 100%.
Pwm что это в кулере
Непонимание работы ШИМ или PWM ( Pulse-width modulation ) часто приводит не только к их неправильному использованию, но даже к ошибкам в проектировании устройств использующих ШИМ для управления. Здесь, ограничившись конкретным применением, я попытаюсь рассказать что такое ШИМ, для чего она требуется и как работает.
Сначала, что такое ШИМ.
| Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. |
Когда нужна ШИМ
Главной причиной применения ШИМ является необходимость обеспечить пониженным постоянным напряжением силовых устройств электроники при сохранении высокого КПД, особенно в управляемых электроприводах.
Во внутренних сетях аппаратуры для питания устройств используется постоянное напряжение ограниченного набора напряжений, которые часто требуется изменить под требования конкретного устройства, стабилизировать или регулировать его. Это могут быть электроприводы постоянного тока, чипы, узлы радиоаппаратуры.
Регулировку можно осуществлять с помощью гасящих напряжение устройств: резисторов, транзисторов (если требуется регулировка). Главный недостаток такого решения потери мощности и повышенное тепловыделение на регулирующих устройствах.
Поскольку известно что выделяемая мощность равна :
P = I x U или P = I 2 x R Вт.
то чем больше ток I в цепи и падение напряжения U , тем больше потери мощности. Здесь R — величина сопротивления регулирующего элемента.
Представьте что требуется погасить хотя бы 3 V при токе нагрузки 10 A , это уже 30 Вт истраченных в пустую. А каждый ватт теряемой мощности не только снижает продолжительность работы источников питания, но и требует дополнительного оборудования для вывода выделяемого, этой мощностью, тепла.
Это относится к гасящим резисторам и полупроводниковым приборам тоже.
Но хорошо известно, что полупроводниковые приборы очень хорошо (с малыми потерями и тепловыделением) работают как ключи, когда имеют только два состояния открыт/закрыт.
Этот режим позволяет снизить потери на коммутирующем полупроводниковом приборе до уровня:
U нас для современных полупроводниковых коммутаторов приближается к 0,3 v и при потребляемых токах 10 А потери мощности будут приближаться к 3 Вт. Это в режиме ключа, а при работе в устройствах ШИМ и меньше.
| В ШИМ в качестве ключевых элементов использует полупроводниковые приборы в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной. |
Реализовать преимущества ключевого режима в схемах понижающих и регулирующих напряжение постоянного тока, позволило использование ШИМ.
Повторюсь, широтно-импульсная модуляция — управление средним значением напряжения на интегрирующей нагрузке путём изменения скважности импульсов, с помощью управляющего ключа.
Работа ШИМ на интегрирующую нагрузку показана на рис. 1.
Главным условиям такого применения ШИМ является наличие интегрирующей нагрузки.
Потому что амплитудное значение напряжения равно E .
Это могут быть интегрирующая RC, LC, RLC или RL цепи и механические интеграторы (например электромотор).
При работе ШИМ на интегрирующей нагрузке напряжение — эквивалентное постоянное напряжение изменяется в зависимости от скважности ( Q ) импульсов.
здесь: Q — скважность, t и — длительность импульса, T — период следования импульсов.
С учетом скважности эквивалентное постоянное напряжение будет равно:
E экв = Q x E Вольт
здесь: E экв — эквивалентное постоянное напряжение ( Вольт ), Q — скважность, E — напряжение источника от которого запитан ШИМ преобразователь ( Вольт ).
Реально на зажимы нагрузки ШИМ подается напряжение равное E , а работа совершаемая электрическим током (или число оборотов электродвигателя) определяется именно E экв . При восстановлении на интегрирующем конденсаторе получаем именно напряжение E экв.
Мощность выделяемая на управляющем ключе, управляемом ШИМ равна:
Схема подключения нагрузки к ШИМ.
Никаких отличных от схемы включения электродвигателя на постоянном токе (частный случай нагрузки) схемных решений ШИМ не требует. Просто электродвичатель подключается к источнику питания работающего в режиме ШИМ. Разве что, в определенных ситуациях требуется ввести дополнительную фильтрацию помех возникающих на фронтах импульсов. Этот фильтр на рис. 2 в виде конденсаторов и демпфирующего диода.
На рис. 2 показано такое подключение.
Мы видим, что коммутатор (полевой транзистор) можно просто заменить на переменный резистор.
Схема PWM
В статье "Переходник для вентилятора 3 pin на 4 pin" http://de1fer.ru/?p=45#more-45 владелец блога приводит схему вентилятора с P WM .
здесь: GND — земля (общий), Control — контакт P WM управления, +12 — напряжение питания, Sense — вывод датчика оборотов.
В данной схеме управление возможно скорее постоянным током +I упр, чем ШИМ сигналом.
Для управления импульсным (ШИМ) сигналом требуется схема изображенная на рис. 4. Да и судя по параметрам транзистора "PWM" он выбирался именно для управления постоянным током. По крайней мере он будет нормально работать в таком режиме с вентилятором до 1,6 Вт.
А вот в импульсном режиме без конденсатора C , транзистор BC879 будет греться немного меньше чем на постоянном токе и возможен останов электродвигателя на малых длительностях токового импульса (малых оборотах) из-за его интегрирования на входной емкости C вх транзистора.
Основные параметры кремниевого биполярного высокочастотного n-p-n транзистора BC879 от SIEMENS
| Pc max | Ucb max | Uce max | Ueb max | Ic max | Tj max, °C | Ft max |
| 800mW | 100V | 80V | 5V | 1A | 150°C | 200MHz |
В случае необходимости отключить PWM (ШИМ) управление в схеме показанной на рис. 3 необходимо просто соединить вывод Control с проводом +12v .
Есть другой вариант схемы вентилятора с P WM на форуме Radeon.ru
Существенных отличий от рис. 3 нет, только в качестве управляемого ШИМ ключа используется МОП полевой транзистор со встроенным или индуцированным каналом p- типа. Данная схема тоже может управляться как P WM так и постоянным напряжением (но рисковать не стоит — надо знать параметры транзистора).
Данная схема вполне работоспособна и не имеет недостатков схемы показанной на рис. 3.
Для отключения (в зависимости от типа транзистора) достаточно соединить вывод Control с проводом + или -.
Вниманию самодельщиков!
Я бы не рекомендовал применение вентиляторов имеющих встроенный PWM (4- pin ) одновременно с какими либо иным регуляторам оборотов вентилятора.
В случае если Вас не устраивает алгоритм управления PWM встроенного на материнскую (системную) плату.
И у Вас есть устраивающий Вас реобас (контроллер управления вентилятором), то используйте вентилятор с 3-pin соединитель.
Если вентилятор с PWM вам дорог или не имеет замены — то необходимо отключить PWM , способом описанным выше, заменив соединитель 4-pin на 3-pin и подключить к реобасу.
Но помните применение вентилятора с PWM в любом нештатном режиме не позволит достичь его максимальной производительности.
Применение одновременно с PWM — токового управления на постоянном токе не рекомендуется по причине снижение напряжения питания вентилятора на 10-20%, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.
Применение одновременно с PWM — ШИМ по цепи питания может привести к периодической нестабильности работы вентилятора (возможно возникновение скользящих биений между частотами PWM — ШИМ по цепи питания систем) и создать неоднозначность для систем оснащенных системой стабилизации оборотов. Кроме того как и в предыдущем случае на 10-15% снизится результирующее напряжение на вентиляторе, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.
Так что остановитесь на чем-то одном. Или используйте вентилятор с PWM , или применяйте внешнее управление вентилятором по цепи питания на вентиляторе с 3-pin разъемом.
Заключение
Применение PWM или ,как привыкли говорить мы, ШИМ повышает КПД понижающих напряжение устройств постоянного тока, что снижает общее тепловыделение электронных устройств с ШИМ.
ШИМ позволяет создавать компактные системы регулируемого электропривода постоянного тока большой мощности.
В современных устройствах постоянного тока управляющих напряжением и понижающих стабилизаторах напряжениях обычно регулировки выполняются с помощью ШИМ. Для этого выпускаются контроллеры требующие минимум навесных элементов.
Cookies на сайте bequiet.com.
bequiet.com использует файлы cookie (включая таковые третьих лиц) для сбора информации об использовании данного веб-сайта его посетителями. Эти файлы cookie помогают нам максимально улучшить работу нашего веб-сайта, постоянно совершенствовать его и предоставлять содержимое, предназначенное именно для вас. Нажав кнопку «Принять все cookie», вы соглашаетесь с использованием всех файлов cookie. Нажав кнопку «Принять только технические cookie», вы соглашаетесь с использованием только технических необходимых файлов cookie. Для получения дополнительной информации об использовании файлов cookie или для изменения настроек выберите «Информация об использовании файлов cookie».
Локализация сайта
Inside be quiet!
Предназначение вентилятора очевидно: постоянное вращение лопастей создает упорядоченное движение воздуха — поток холодного воздуха к объекту или отвод горячего воздуха от него. Но что значит “PWM” в названии модели вентилятора и в чем заключается отличие от аналогичных моделей без “PWM”?
Говоря простым языком, происходит прерывистая подача напряжения на вентилятор, что в сочетании с инерцией массы моторчика и лопастей заставляет вентилятор вращаться быстрее или медленнее – в зависимости от того, насколько продолжительными и частыми являются фазы подачи напряжения. Если частота импульсов низкая, вентилятор будет вращаться медленно, а при росте частоты импульсов скорость вращения увеличивается. Некоторой сложностью этой технологии является необходимость сглаживаний постоянных флуктуаций напряжения. А это значит, что PWM вентиляторы имеют более сложную схему и более дороги, чем их классические аналоги. Внешне Вам будет сложно найти разницу – за исключением разъема подключения: у обычных вентиляторов разъем имеет 3 контакта, у моделей с PWM есть дополнительный четвертый контакт. Материнская плата, соответственно, должна поддерживать возможность управления скоростью вращения таких вентиляторов, что уже много лет является стандартом и может отсутствовать только на самых древних образцах материнских плат.
Вентиляторы с PWM используются повсеместно: для охлаждения процессоров, корпусов или радиаторов СВО. Управление их скоростью вращения может осуществляться с помощью специальных программных инструментов (так называемых утилит) в операционной системе или через BIOS / UEFI, а также с помощью внешних физических регуляторов скорости, если таковые имеются в корпусе Вашего ПК. Более того, Вам нет необходимости отвлекаться на изменение скорости вращениям вручную – современные материнские платы способны отлично справляться с охлаждением компонентов ПК, увеличивая скорость вращения вентиляторов когда это необходимо, или снижая ее для максимально тихой работы в режиме малой нагрузки системы.