Как посчитать тепловыделение компьютера
Обновлено: 02.07.2024
Технический комитет ASHRAE 4.1. «Методы расчета нагрузок» завершил два исследовательских проекта, результаты которых могут представить интерес для инженеров, выполняющих расчеты холодильных нагрузок. Задачей исследовательского проекта была разработка методики измерения реальных теплопоступлений от оборудования зданий и их лучистой и конвективной составляющих [Hosni и др., 1996]. Эта методика в дальнейшем была использована в другом исследовательском проекте, где рассматривался более широкий состав оборудования [Hosni и др., 1999]. Группа исследователей в Канзасском университете под руководством M. Hosni выполнила оба проекта. Это явилось развитием и завершением независимого исследования, проведенного Wilkins и McGaffin в 1994 году.
В независимом исследовании Wilkins и McGaffin были получены важные данные по тепловым нагрузкам здания путем измерений энергопотребления на электрощитах, обслуживающих определенные зоны зданий. Данные этих измерений сопоставлялись с замерами мощности, потребляемой каждой из установок офисного оборудования в данной зоне. Исследования, выполненные группой Hosni, базировались на тех же методах, но с более точными измерениями и обработкой результатов.
Работа группы Hosni включала также измерение лучистой и конвективной составляющих в тепловыделениях оборудования. Отдельные данные по конвективным и лучистым тепловыделениям существенны для современных методов расчета тепловых нагрузок.
В исследовательском проекте проводились измерения по тепловыделениям оборудования офисов, лабораторий и больниц. Заключительным результатом этого исследования было обобщение данных с целью более широкого их применения. Было установлено, что данные по офисному оборудованию могут быть обобщены, в то время как результаты, касающиеся лабораторного и больничного оборудования, носят более частный характер.
Мы представляем здесь обобщенную методологию, разработанную на основе результатов всех вышеупомянутых исследований для офисного оборудования.
Сравнение коэффициентов загрузки
Паспортные данные и результаты измерений
В настоящее время определенно установлено, что в паспортных данных офисного оборудования потребляемая мощность обычно завышена. Предполагается, что потребляемая мощность для этого типа оборудования равна суммарным тепловыделениям (лучистым плюс конвективным). Многие инженеры посчитали бы удобным употребление стандартного числа или отношения для пересчета паспортной мощности в величину фактических тепловыделений. Однако все исследования, выполненные до настоящего времени, полагают это невозможным.
В ходе работы группы Hosni было установлено, что для офисного оборудования, паспортная мощность которого не превышает 1 кВт, тепловыделения составляют от 25 до 50 %. Результаты анализа для всех типов исследованного оборудования дают более широкий разброс. В результате был сделан вывод, что если известна только паспортная установленная мощность оборудования и нет никаких данных о фактических тепловыделениях, можно принимать для расчетов с резервом величину тепловыделений, равную 50 % паспортной мощности, а для более точных расчетов – 25 %. Установленные Wilkins и McGaffin значения этого соотношения также изменяются в достаточно широком диапазоне.
Повсеместное использование такой общей зависимости может внести в расчеты значительную погрешность. Бывает, что паспортные данные для аналогичного оборудования сильно различаются, а измеренная величина тепловыделений остается постоянной. Ошибка при использовании обобщенного отношения может достигать 100 % и более. Гораздо лучшие результаты могут быть получены, если определять тепловыделения исходя из типа оборудования, а не из паспортного значения установленной мощности.
Результаты исследования различных типов оборудования
Данные, собранные при испытании всех типов оборудования, были систематизированы и проанализированы; исследователи пытались найти обобщенные зависимости, которые могли быть использованы в инженерной практике. Было обнаружено, что для офисного оборудования прослеживаются четкие закономерности, в то время как для лабораторного и больничного оборудования разброс данных слишком велик и не поддается обобщению. Офисное оборудование было сгруппировано по категориям: компьютеры, мониторы, принтеры, факсы и копировальные аппараты. Результаты измерений тепловыделения от оборудования внутри каждой группы анализировались с целью установления расчетной величины.
Компьютеры
Группа Hosni исследовала 8 компьютеров типа Pentium и 486. Четыре компьютера исследовались при работе с монитором, а четыре – без монитора. Максимальные измеренные тепловыделения составляли от 52 до 70 Вт. При этом паспортное значение мощности составляло от 165 до 759 Вт. Тепловыделения от компьютера, работающего с монитором, определялись путем вычитания расчетного значения тепловыделений монитора из суммарно измеренной величины. Wilkins и McGaffin опубликовали данные исследования 12 компьютеров типа 486 и более старых. Средние тепловыделения составляли 56 Вт, а средняя паспортная мощность – 391 Вт. Таким образом, средняя величина тепловыделений по 20 исследованным компьютерам равна 55,6 Вт.
Тепловыделения компьютеров во время простоя оказались ненамного меньше, чем во время работы. Исключением явились компьютеры с энергосберегающим режимом. Этот режим переводит компьютер в «спящее» состояние, если он не используется в течение определенного, заданного периода времени. Группа Hosni определила, что типичная величина тепловыделений компьютера в «спящем» режиме составляет 18 Вт. Разумеется, «спящий» режим одного компьютера не повлияет на величину пиковой нагрузки, но он может оказать влияние на коэффициент неравномерности и на величину максимальной тепловой нагрузки для больших зон внутри здания.
Из этих данных можно сделать два вывода. Первый – в расчете нагрузки не следует ориентироваться на паспортную мощность компьютеров. Второй вывод – имеется возможность установить расчетную величину тепловыделений от компьютеров, которой можно руководствоваться в практических расчетах. Инженеры обычно стремятся рассчитывать нагрузку с резервом. Данные, приведенные в табл. 1, позволяют инженерам выбирать расчетную величину тепловыделений компьютеров с различным коэффициентом запаса.
Мониторы
Величина паспортной мощности мониторов, протестированных группой Hosni, находилась в диапазоне 168–565 Вт. Максимальная величина тепловыделений составляла 53–86 Вт соответственно. Размеры экрана исследованных мониторов – от 14 до 20 дюймов (36–51 см). Группа Hosni обнаружила прямую зависимость между тепловыделениями и размером экрана. Они вывели следующую зависимость для оценки тепловыделений монитора в зависимости от размера экрана:
Тепловыделения = 5 х S – 20,
где S – размер экрана в дюймах, а теплопоступления определяются в Вт. Например, для 15-дюймового монитора тепловыделения составляют 55 Вт.
Wilkins и McGaffin не группировали полученные данные по размеру монитора. Они представили данные на 10 мониторов от 13 до 19 дюймов и определили среднюю величину тепловыделений – 60 Вт. Их исследования выполнялись в 1992 году, когда еще применялась ОС DOS, а ОС Windows только входила в обращение. Они установили, что мониторы, отображающие Windows, потребляют больше энергии, чем при отображении DOS. В табл. 2, составленной по результатам исследований группы Hosni и Wilkins, представлена краткая справка для инженеров, которые предпочитают табличные данные уравнениям. Энергосберегающий режим мониторов снижает потребление энергии и, соответственно, тепловыделения до нуля.
Лазерные принтеры
Группа Hosni в 1999 году определила, что потребляемая мощность и тепловыделения лазерных принтеров в значительной мере зависят от их расчетной производительности. В табл. 3 приведены данные для четырех основных категорий лазерных принтеров. Группа Hosni в работе 1999 года установила, что небольшие принтеры чаще работают в прерывистом режиме, а большие могут работать непрерывно в течение продолжительного времени.
Эти данные могут быть использованы двумя способами. Наиболее очевидный способ состоит в том, что принимается величина для непрерывной работы, а затем вводится поправочный коэффициент на неравномерность загрузки. Поправочные коэффициенты будут рассмотрены ниже. Этот способ кажется наиболее подходящим для офисов с большими открытыми зонами. Другой подход заключается в том, чтобы использовать величины, соответствующие предполагаемому режиму работы принтеров, без поправочных коэффициентов. Этот вариант подходит для небольших зон или отдельных помещений.
Копировальные аппараты
Группа Hosni в 1999 году представила данные по пяти копировальным аппаратам. Копировальные аппараты были разделены на две группы: настольные и офисные. В табл. 4 представлена сводка результатов. По наблюдениям группы Hosni, настольные копировальные аппараты обычно не работают непрерывно, а офисные установки часто работают непрерывно в течение часа и более.
Отдельно стоящие копировальные аппараты часто размещаются в помещениях вне основной рабочей зоны офиса. В таких копировальных помещениях обычно допускается временное повышение температуры в период непрерывной работы копировального аппарата. Инженеры должны принимать во внимание конкретные условия и выбирать для расчета соответствующий режим.
Прочее оборудование
В табл. 5 перечислены некоторые другие типы используемого оборудования. Данные для факсов и сканеров взяты из работ Hosni (1999). Величины для матричных принтеров получены путем обработки данных Hosni (1999) и Wilkins (1994).
Коэффициент неравномерности
Реально пиковое значение суммарных тепловыделений по зоне меньше, чем сумма пиковых значений по каждому виду оборудования, по причине их неодновременного использования. Для корректного применения вышеприведенных данных очень важно иметь ясное представление о фактической неравномерности нагрузки оборудования. Как уже упоминалось, неравномерность загрузки в данном случае не имеет отношения к различиям между паспортной мощностью и измеренными тепловыделениями. Коэффициент неравномерности вводится в уравнение, если часть оборудования простаивает или отключается; соответствующая доля теплопоступлений не вносится в расчет общей холодильной нагрузки данного помещения или системы.
Wilkins и McGaffin смогли определить неравномерность загрузки путем сопоставления измерений потребляемой мощности на электрощите и подробной регистрации работы оборудования, подключенного к данному щиту. Их работа проводилась в 23 помещениях пяти различных зданий общей площадью 25 500 м 2 . На первом этапе выполнялось обследование всего оборудования в помещении и измерялось его энергопотребление. Пиковое потребление энергии (предполагалось равным максимальным тепловыделениям) суммировалось по всему оборудованию, чтобы определить величину максимально возможных тепловыделений оборудования в данном помещении.
Было установлено, что коэффициент неравномерности находится в пределах 37–78 %. Средняя неравномерность (средневзвешенная по площади помещения) составляет 46 %. Рис. 1 иллюстрирует соотношение между паспортной мощностью, суммой максимальной мощности и фактическим максимумом с учетом коэффициента неравномерности. Указанный график заимствован из работы Wilkins и McGaffin; он основан на данных, усредненных по всем исследованным помещениям. Данные по коэффициентам неравномерности могут быть использованы для общего руководства, но в реальности эти коэффициенты сильно различаются. Например, коэффициент неравномерности загрузки оборудования для помещения операторов, принимающих заказы по телефону, будет отличаться от соответствующего коэффициента для офиса разъездных торговых агентов.
Удельная тепловая нагрузка помещения
Wilkins и McGaffin определили для исследованных помещений удельную тепловую нагрузку от 4,74 до
11,30 Вт/м 2 , при этом средневзвешенная по площади величина составляла 8,72 Вт/м 2 . Эти данные были получены путем обработки результатов измерений офисов общей площадью 25 500 м 2 в пяти различных зданиях. Все помещения были полностью заняты персоналом и автоматизированы – компьютер с монитором на каждом рабочем месте. В табл. 6 приведены коэффициенты загрузки помещений с описанием типов рабочих мест.
Wilkins и McGaffin обследовали 25 500 м 2 офисной площади с высокой степенью автоматизации, включающей 21 помещение различного типа в пяти различных зданиях. Максимальное значение удельной тепловой нагрузки составляло 11,63 Вт/м 2 . Эта величина соответствовала среднему уровню загрузки помещения по субъективной классификации (табл. 6). Можно предположить, что средний уровень загрузки помещения является характерным для большинства стандартных офисов. Помещения с повышенной или высокой нагрузкой также встречаются, но для таких помещений, даже при очень высокой плотности размещения персонала и оборудования, расчеты надо проводить осмотрительно. Изложенное подтверждается результатами других исследований, в том числе работами Komor 1997 года. Komor обобщил данные, полученные в различных помещениях, и во всех случаях его выводы не противоречили данным, приведенным в табл. 6.
Соотношение лучистых и конвективных тепловыделений
Офисное оборудование выделяет теплоту лучистым и конвективным путем. Конвективные тепловыделения представляют собой прямую нагрузку на холодильное оборудование, в то время как лучистый тепловой поток вначале поглощается строительными конструкциями, а по прошествии некоторого времени тепло вновь отдается в помещение как составляющая тепловой нагрузки. Это различие может оказать влияние на время наступления пиковой нагрузки на охлаждение и на ее величину. Группа Hosni в 1998 году разработала методику измерения лучистых тепловыделений оборудования с использованием радиометра, укрепленного на рычаге с шарниром.
Группа Hosni в 1999 году обнаружила, что соотношение лучистой и конвективной составляющих тепловыделений практически одинаково для всех видов оборудования. Наиболее существенные различия определяются тем, использовался ли охлаждающий вентилятор. В табл. 7 представлены итоговые результаты исследований группы Hosni 1999 года.
Перспективы
Приведенные данные основаны на исследовании современного оборудования. Возникает законный вопрос о возможности их применения в будущем. Национальной лабораторией Беркли было проведено исследование перспектив энергопотребления оборудованием и был сделан вывод, что интенсивность энергопотребления будет снижаться до 2002 года, а затем медленно возрастать до 2010 года. В настоящее время видно, что этот прогноз подтвердился. Таким образом, представленные здесь данные, по-видимому, останутся актуальными еще в течение нескольких лет.
Выводы
Тепловыделения от оборудования вносят существенный вклад в тепловую нагрузку помещения. Информация, приведенная в данной статье, может стать полезным инструментом для инженеров, выполняющих расчеты нагрузок на холодильное оборудование или анализ энергопотребления. Мы также выражаем надежду, что изготовители оборудования осознают важность величины паспортной мощности для определения тепловых нагрузок и предпримут необходимые шаги для предоставления более реалистичной информации о потребляемой мощности.
Литература
1. Hosni M. H., Jones B. W., Sipes J. M., Xu Y. Test method for measuring the heat gain and radiant/convective split from equipment in buildings // Final Report for ASHRAE Research Project 822-RP. Institute for Environmental Research. Kansas State University. 1996. October.
2. Hosni M. H., Jones B. W., Xu H. Measurement of heat gain and radiant/convective split from equipment in buildings // Final Report for ASHRAE Research Project 1055-RP. Institute for Environmental Research. Kansas State University. 1999. March.
3. Wilkins C. K., McGaffin N. Measuring computer equipment loads in office buildings // ASHRAE Journal. 1994. № 36 (8). P. 21–24.
При грамотном проектировании ПК, одним из важнейших этапов этой работы является расчет системы охлаждения компьютера и теплового режима его узлов. И не только при проектировании в проектных организациях, а и при их доработках, разгоне и моддинге в домашних условиях. Правда в последнем случае эти расчеты могут иметь меньшую точность. У меня иногда возникает ощущение, что китайские корпуса просчитываются с еще меньшей точностью, если вообще просчитываются. И если Вам необходим компьютер работающий при любой температуре, при разгоне его узлов или имеющий низкий уровень шума, необходимо уметь посчитать его тепловыделение и сделать хотя бы ориентировочный расчет его теплообмена, но с обязательной последующей проверкой эффективности после выполнения конструкции. Обращаю Ваше внимание на то что точные расчеты требуют большого объема работы и опыта.
Вступление.
Существует несколько подходов к расчету тепловыделения в корпусе компьютера, но здесь хочу остановиться на четырех. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
Достоинство: не надо искать данные, они должны присутствовать в базах предлагаемых сервисов.
Недостатки: базы не успевают за производителями узлов, часто они содержат недостоверные данные.
В статье мы не будем его рассматривать, для его выполнения надо только знать адрес ресурса и состав узлов Вашего компьютера и время.
По потребляемой узлами мощности с учетом коэффициента тепловыделения и типовой загрузки узлов,
Достоинство: более высокая точность (оптимальность).
Недостатки: необходим большой объем информации или опыт, знание характеристик узлов, режимов работы ПК.
По результатам экспериментальных измерений приборами потребляемой мощности и тестов компьютера. Тестирование можно выполнить хотя бы крайних значений, тепловыделение в режиме покоя и при полной загрузке
Достоинство: высокая точность величины для каждого типового режима работы.
Недостатки: необходимость проведения специальных исследований и измерений.
Расчет потребляемой ПК мощности, по паспортным значениям потребляемой мощности узлов
Когда возникает вопрос «Сколько тепла выделяет мой компьютер?», мы пытаемся первым делом найти данные о тепловыделении узлов которые стоят в корпусе Вашего ПК. Но таких данных нигде нет. Максимум что мы находим это потребляемые узлами токи по цепям питания 3,3; 5; 12 В. Да и то не всегда.
Эти значения токов потребления чаще всего имеют пиковые значения и предназначены скорее для выбора блока питания, чтобы исключить его перегрузку по току.
Поскольку все устройства внутри компьютера питаются постоянным током, то нет проблем для определения пиковой (именно пиковой) мощности потребления Вашим узлом. Для этого просто определяется сумма мощностей потребляемых по каждой линии, путем перемножения тока и напряжения потребляемых по цепи (Обращаю Ваше внимание, никакие коэффициенты для пересчета не применяются — постоянный ток.).
Как Вы понимаете это весьма приблизительная оценка, которая в реальной жизни почти никогда не выполняется, ведь не работают одновременно все узлы компьютера в пиковом режиме. Операционная система работает с узлами ПК по определенным алгоритмам. Информация читается — обрабатывается — записывается — какая-то ее часть выводится на средства контроля. Эти операции выполняются над пакетами данных.
В интернете имеется множество оценок именно величины пиковой мощности потребления взятой из характеристик узлов.
Те расчеты, которые сделаны 2-3 года назад, в принципе не соответствуют текущей ситуации. Потому что за эти годы производители модернизировали свои узлы что привело к снижению потребляемой ими мощности.
Последние данные приведены в таблице 1.
Мы видим данные имеют очень широкий разброс, он определяется конкретной моделью Вашего узла. Узлы различных производителей, тем более произведенные в разное время имеют большой разброс потребляемой мощности. В принципе расчет вы можете сделать самостоятельно.
Расчет потребляемой ПК мощности выполняется в несколько этапов.
Составной частью расчета тепловыделения является расчет потребляемой компьютером мощности. Из которого определяется мощность блока питания, выбирается конкретная модель, после чего оценивается его тепловыделение. Поэтому выполняя тепловой расчет, приходится сначала собирать данные о потребляемой узлами компьютера мощности.
Но пока, даже потребляемая мощность не всегда приводится производителями узлов компьютера, иногда на табличке с параметрами приводится величина питающего напряжения и потребляемого тока по данному напряжению. Как уже говорилось выше, на постоянном токе, который применяется для питания узлов компьютера, произведение питающего напряжения на ток потребляемый по данному напряжению и говорит о потребляемой мощности.
Исходя из суммарной потребляемой мощности (приняв ее за мощность тепловыделения) можно выполнить предварительный или ориентировочный расчет системы охлаждения. Этот расчет обеспечит скорее избыточное охлаждения Вашего ПК, что в условиях большой его загрузки и соответственно максимального тепловыделения дает некоторое приближение к реальному тепловыделению и обеспечит нормальное охлаждение. Но когда ПК используется на обычных (не ресурсоемких) приложениях, рассчитанная таким образом система охлаждения явно избыточна, и обеспечивая нормальное функционирование узлов ПК, создает неудобства пользователю за счет повышенного уровня шума.
В первую очередь Вы должны знать, что потребляемая мощность и тепловыделение узлов имеют прямую связь.
Мощность тепловыделения электронных узлов не равна потребляемой мощности, но они связаны между собой через коэффициент потерь мощности узла.
Есть множество публикаций о том как выполнить этот расчет, в Интернет есть специальные сайты для этого расчета. Но до сих пор возникают вопросы при его выполнении.
А потому что не только мощность тепловыделения сложно найти у производителя, но и даже мощность потребляемая интересующим нас узлом не всегда известна. Возможно они просто боятся их приводить в связи с тем что их величина не непостоянна в процессе работы и существенно зависит от режима работы. Разница может достигать десять раз и иногда даже больше.
Похоже они не хотят перегружать пользователей «ненужной» информацией. Да и данных для производителей я пока не нашел.
У читываем коэффициент тепловыделения.
Коэффициент полезного действия.
Мощность тепловыделения обычных физических устройств (вентиляторов, двигателей электрических и механических) определяется через понятие КПД. Которое определяется как отношение полезной мощности (мощности затраченной на выполнение полезной работы) к мощности потерь (мощность которая уходит на преодоление трения, нагрев, . ). Но понятие КПД неприемлемо для электронных узлов. Их полезная работа не измеряется в ваттах или джоулях. Эффективность их работы определяет скорее производительность, которая неоднозначно связана с потребляемой мощностью. Правильнее назвать его "Коэффициент тепловыделения".
Коэффициента тепловыделения.
Для узлов ПК — чипов, микросхем и других широко известное понятие КПД не подходит, потому что часто невозможно оценить полезную мощность. Для этого лучше использовать коэффициент потерь мощности, который характеризует долю потребляемой узлом мощности переходящей в тепло.
Здесь: P потр — мощность потребляемая узлом от источника питания, P тепл — мощность тепловыделения узла, К т — коэффициент тепловыделения.
Доля потребляемой мощности выводимая за пределы чипа в виде нужной нам информации незначительна, что и позволяет при грубых расчетах приравнять P тепл и P потр.
Мощности тепловыделения современных чипов определяется их загрузкой и характером работы.
Особенностью работы современных чипов процессоров и других микросхем является то что их TDP ( мощность тепловыделения ) производителями получается простым умножением напряжения питания чипа на его ток потребления. В соответствии с изложенными выше причинами это значение можно использовать для расчетов их тепловыделения. Но, как уже говорилось выше, она существенно зависит от режима работы чипа.
Ниже, в таблице 2, приведены ориентировочные значения К т для различных узлов ПК.
К т зависит от режима работы узла или его загрузки.
Системная плата как источник тепловыделения.
Для большинства не секрет, что системная плата обеспечивая работу узлов на ней установленных сама потребляет электроэнергию и выделяет тепло. Тепло выделяют северный и южный мосты чипсета, источники питания узлов компьютера, да и просто расположенные на ней компоненты электронных схем. Причем это тепловыделение тем больше чем производительнее Ваш компьютер. И даже в процессе работы тепловыделение меняется в зависимости от загруженности его узлов.
Наибольшее тепловыделение имеет чип северного моста, который обеспечивает работу процессора с шинами. И часто и работу с модулями память (в некоторых моделях современных процессоров эту функцию выполняют они сами). Поэтому их мощность тепловыделения может доходить от 20 до 30 Вт. Производитель обычно не указывает их тепловыделение, как вообще суммарное тепловыделение системной платы.
Косвенным признаком высокого тепловыделения является наличие инвертора для его питания в непосредственной близости от него и усиленной системы охлаждения (вентилятор, тепловые трубки). Не забывайте, питание и охлаждение должны обеспечивать нормальную работу чипсета при максимальной производительности.
Сейчас на одну фазу такого источника питания приходится до 35 Вт выходной мощности. Фаза источника питания имеет в своем составе пару транзисторов MOSFET, дроссель и один или несколько оксидных конденсаторов.
Современные модули быстродействующей памяти тоже имеют достаточно большое тепловыделение. Косвенным признаком этого является наличие отдельного источника питания и наличие дополнительного теплоотвода (металлических пластин) установленного на чипы памяти. Мощность тепловыделения модулей память зависит от его емкости и рабочей частоты. Она может достигать 10 — 15 Вт на модуль (или 1,5 — 2,5 Ватт на чип память находящийся на модуле в зависимости от производительности). Источник питания памяти рассеивает мощность 2 — 3 Вт на модуль памяти.
Современные процессоры имеют потребляемую мощность до 125 и даже 150 Вт (потребляемый ток доходит до 100 А), поэтому они питаются от отдельного источника питания содержащего до 24 фаз (ветвей) работающих на одну нагрузку. Мощность рассеиваемая источником питания процессора для таких процессоров доходит до 25 — 30 Вт. В документации на процессор часто указывается параметр TDP (thermal design power) характеризующий тепловыделение процессора
На современных системных платах нет дополнительных источников питания для видеокарт. Они располагаются на самих видеокартах поскольку их мощность существенно зависит от режима работы и применяемых графических процессоров. Видеокарты имеющие дополнительные источники питания (инверторы), питаются через дополнительный отвод БП напряжением +12 В.
Элементная база системной платы, как источник тепла.
В связи с ростом количества внешних устройств, растет и количество внешних портов, которые могут использоваться для подключения внешних устройств не имеющих собственных источников питания (например внешние HDD на USB портах). На один USB порт до 0,5 А, а таких портов может быть до 12. Поэтому на системной плате сейчас часто устанавливаются дополнительные источники питания для их обслуживания.
Нельзя забывать что тепло выделяет, в той или иной мере, все радиоэлементы установленные на системной плате. Это специализированные чипы, резисторы, диоды и даже конденсаторы. Почему даже? Потому что считается что на конденсаторах работающих на постоянном токе мощность не выделяется (если не считать незначительной мощности вызванной токами утечки). Но в реальной системной плате нет чистого постоянного тока — источники питания импульсные, нагрузки динамические и всегда присутствуют переменные токи в их цепях. И тогда начинает выделяться тепло мощность которого зависит от качества конденсаторов ( величины ESR) и величины и частоты этих токов (их гармоник). А число фаз инверторного источника питания процессора достигло 24 и нет предпосылок к их снижению на качественных системных платах.
Суммарная мощность тепловыделения системной платы (только ее одной!) может достигать в пике — 100Вт.
Тепловыделение встроенных на системной плате источников питания .
Дело в том что сейчас, с ростом мощности потребляемой узлами компьютера (видео карта, процессор, модули памяти, чип сеты северного и южного моста) их питание осуществляется от специальных источников питания расположенных на материнской плате. Эти источники представляют сбой многофазные (от 1 до 12 фаз) инверторы работающие от источника 5 — 12В и питающие заданным током (10 — 100 А) потребители при выходном напряжении 1 — 3В. Все эти источники имеют КПД порядка 72 — 89 % в зависимости от применяемой в них элементной базы. У разных производителей применяются разные методы отвода выделяющегося тепла. От простого отвода тепла на материнскую плату с помощью пайки транзисторов ключей MOSFET на печатный проводник на плате, до специальных охладителей на тепловых трубках с использованием специальных вентиляторов.
Встроенный источник питания представляет собой обычный инвертор, при многофазном включении это несколько (количество соответствует числу фаз) синхронизированных и сфазированных, работающих на одну нагрузку инверторов.
Пример оценки тепловыделения в цепочке "процессор - многофазный инвертор - блок питания".
Расчет мощности тепловыделения в цепочке "процессор - многофазный инвертор - блок питания"выполняют исходя из мощности конечного потребителя в цепочке "процессора".
Дело в том что сейчас, с ростом мощности потребляемой узлами компьютера (видео карта, процессор, модули памяти, чип сеты северного и южного моста) их питание осуществляется от специальных источников питания расположенных на материнской плате. Эти источники представляют сбой многофазные (от 1 до 12 фаз) инверторы работающие от источника 5 — 12В и питающие заданным током (10 — 100 А) потребители при выходном напряжении 1 — 3В. Все эти источники имеют КПД порядка 72 — 89 % в зависимости от применяемой в них элементной базы.
Встроенный источник питания представляет собой обычный инвертор, при многофазном включении это несколько (количество соответствует числу фаз) синхронизированных и сфазированных, работающих на одну нагрузку инверторов.
У разных производителей применяются разные методы отвода выделяющегося тепла. От простого отвода тепла на материнскую плату с помощью пайки транзисторов ключей MOSFET на печатный проводник на плате, до специальных охладителей на тепловых трубках с использованием специальных вентиляторов.
Примерный расчет тепловыделения по цепочке питания.
Рассмотрим эту цепочку.
Результатом рассмотрения будет ответ на вопрос: "Какая мощность выделяется на источнике питания устройства расположенного на системной плате?"
В озьмем для примера процессора AMD Phenom™ II X4 3200, который имеет потребляемую мощность в пике (TDP) – 125 Вт. Это, как уже писалось выше, с достаточно высокой точностью его тепловыделение.
Многофазный инвертор от которого питается указанный выше процессор, практически не зависимо от количества фаз, при КПД = 78% (обычно), выделяет тепла 27,5 Вт в пике.
Итого общее тепловыделение в цепи питания процессора AMD Phenom™ II X4 3200 и источника его питания (инвертор) в пике достигает 152,5 Вт.
Доля тепловыделения в БП приходящаяся на этот процессор составит (с учетом КПД БП) более 180 Вт в пике нагрузки процессора.
Для расчета доли мощности (тока) питания приходящегося на данную цепь для БП используется суммарная мощность — 152,5 Вт. Чтобы переводить данную мощность надо знать от каких напряжений питается данная цепь. А это зависит не столько от процессора и блока питания (БП), сколько от конструкции материнской платы. В случае если питание осуществляется от напряжения 12В рассчитывают по суммарной мощности потребляемой в данной цепи, переведя эту мощность в ток и получим, при напряжении цепи 12В, суммарный ток потребляемой от БП для цепи питания процессора равен — 12,7А.
Проверка эффективности системы охлаждения собранного вами компьютера.
Как уже говорилось выше, проверкой правильности выполненных Вами расчетов тепловыделения и выбора конструкции корпуса будет проверка ваших расчетов и эффективности выбранной Вами системы охлаждения.
Проверка заключается в контроле температуры узлов (основных) Вашего компьютера. Она не должна превышать максимальной температуры определенной их изготовителями. И даже иметь некоторый запас (на мой взгляд порядка 20°С). этот запас позволит обеспечить бесперебойную работу Вашего компьютера в критических условиях. Это могут быть запыленные воздушные фильтры, новые более ресурсоемкие приложения которые Вы установили на ПК и даже просто летняя жара.
Заключение.
Как Вы поняли, при современных тепловыделениях узлов, расчет потребляемой Вашим компьютером мощности, при его моддинге и самостоятельной сборке, надо делать всегда. Он нужен для выбора блока питания, одного из важнейших устройств компьютера, и в конечном счете оценки суммарной мощности потребляемой Вашим компьютером.
Полученную мощность потребления можно использовать как максимально возможную мощность тепловыделения, с учетом того что мощность тепловыделения всегда ниже потребляемой мощности.
Если у Вас достаточно опыта для определения круга задач выполняемых Вашим компьютером, загрузки его узлов и оценки их тепловыделения при работе, то Вы можете оценить его тепловыделение с точностью выше, чем та, которую дает расчет по потребляемой мощности.
Но пока невозможно, из-за широкой номенклатуры узлов и их производителей, с высокой точностью рассчитать мощность тепловыделения компьютера. Это возможно только при моделировании конкретного конструктивного решения и широкого комплекса измерений его характеристик, включая режимы тепловыделения и теплообмена. В производственных условиях эта процедура называется комплексом заводских испытаний.
Выходом для модерра или сборщика может быть:
В последнем случае получаем избыточное тепловыделение, соответственно избыточный воздухообмен. Для его оптимизации рекомендую применять электронных регуляторов числа оборотов вентиляторов. Это позволит снять избыточность воздухообмена и снизить уровень шума системы вентиляции.
Применение регуляторов оборотов вентиляторов охлаждения с мониторингом скорости вращения и температур, кроме прямой функции регулирования расхода воздуха через охлаждаемые объекты, позволяет еще и создать мониторинг температур по критическим точкам Вашего компьютера.
И последнее, поскольку обеспечить, в таком широком диапазоне тепловыделения, устойчивую работу систем охлаждения затруднительно, я бы рекомендовал на постоянной основе ввести в конфигурацию Вашего компьютера контроллер мониторинга и управления вентиляторами. Это обеспечит примерно 3х кратную регулировку расхода воздуха через охлаждаемые узлы и мониторинг температур в критических точках.
Узнать мощность своего компьютера можно по-разному: вооружиться мультиметром и тестировать вручную или зайти на онлайн-калькулятор и посчитать все за 5 минут. Последние выдают результаты автоматически — вбиваешь свои данные и готово. А мы в этом материале проверяем онлайн-калькуляторы на честность. Какие из них выдают более точные данные, какими проще и удобнее пользоваться? И стоит ли вообще доверять готовым алгоритмам или лучше все перепроверить самому?
Тестируем реальную мощность ПК
Перед проверкой калькуляторов сначала нужно определить реальную мощность ПК. Тестируем пару персональных компьютеров двумя способами:
- Амперметром ACM91 измеряется ток по выходным линиям блока питания. Далее рассчитывается, затем суммируется мощность.
- По входу блока питания (220 В) измеряется мощность. В этом случае делается поправка на КПД блока питания и используется как справочное значение.
ПК нагружались тестом стабильности от AIDA, видеокарта — дополнительно стресс-тестом от FurMark. Все компоненты ПК работали в штатном режиме, без разгонов. Для видеокарты была установлена максимальная производительность из предложенных производителем Profiles.
Конфигурации ПК1 и ПК2
Комплектующие
ПК 1
ПК 2
SSD A-Data SX6000 Pro, 256 ГБ, М.2 2280
Измеренная потребляемая мощность ПК
ПК1
ПК2
U12CPU —линия питания процессора;
(I5-8400, TDP 65 Вт)
(I5-4460, TDP 84 Вт)
191 Вт
Тесты онлайн-калькуляторов мощности
Калькулятор от Bequiet
Онлайн-калькулятор от известного производителя солидных блоков питания Bequiet.
Разработчики калькулятора не стали мудрить и предусмотрели в калькуляторе расчет только по четырем основным компонентам: процессор, видеокарта, система и охлаждение. Это упрощает использование калькулятора и, надо сказать, без вреда для правильного выбора блока питания.
Калькулятор предлагает обширный список моделей процессоров — от самых древних до процессоров последних поколений.
Мощность потребления процессора, как правило, определяется по его TDP. Однако для последних моделей процессоров разработчики калькулятора учитывают максимальное пиковое потребление, которое в течение определенного времени может превышать TDP. Например, в соответствии со спецификацией для ЦП i5-10600K TDP составляет 125 Вт, при этом максимальная непродолжительная пиковая мощность процессора может достигать 182 Вт. И блок питания должен обеспечивать данную мощность, что и учитывается в калькуляторе. Для процессора можно указать два режима разгона: «Разогнанная версия (ОС)» и «Экстремальный разгон». При этом первый режим добавит к потреблению ЦП 10 %, а второй 25 %.
Мощность видеокарты учитывается в соответствии с характеристиками от производителя. Стоить отметить, что для последних моделей видеокарт в калькуляторе учитываются более высокие мощности, по сравнению с данными от производителя. Так, для видеокарты RTX3060Ti для расчетов используется значение мощности в 330 Вт против 200 Вт, указанных производителем. Список моделей внушительный — до самых последних моделей. Нашлась даже скромная GTX 1650 Super. Как и для процессоров, для видеокарты можно также указать режимы разгона. Первый режим добавит 10 % к номинальной мощности, а второй 25 %.
В разделе «Система» можно указать количество модулей памяти, устройств SATA и даже устройств PATA. Каждый модуль памяти добавляет 4 Вт к рассчитываемой мощности, каждое устройство SATA или PATA — по 15 Вт. В качестве устройства SATA я укажу свой SSD М.2, так как в калькуляторе отсутствует отдельное поле для указания таких устройств.
В разделе «Охлаждение» можно указать дополнительные вентиляторы в системе и (или) систему водяного охлаждения. Каждый вентилятор добавляет 5 Вт.
В калькуляторе предусмотрена еще одна установка — «Использование USB 3.1 Gen 2 для передачи энергии».
Спецификация USB 3.1 Gen 2 в теории подразумевает возможность передачи до 100 Вт мощности. И действительно, если установить здесь галочку, то рассчитанная потребляемая мощность компьютера увеличится на 100 Вт.
В результате мы получаем рассчитанную максимальную потребляемую мощность системы и возможность указать свои пожелания для дальнейшего выбора блока питания.
Приоритетом мы указали цену и в качестве первой рекомендованной модели получили be quiet! SYSTEM POWER 9 400W.
Результаты
Рассчитанная мощность калькулятором Bequiet
Измеренная потребляемая мощность ПК
*за вычетом 20 Вт на реально установленную GTX 1650 Super
Калькулятор от Сoolermaster
Широкий выбор процессоров вплоть до последних моделей LGA1200 и AM4. Потребляемая мощность процессора определяется калькулятором по его TDP. Разгон процессора не учитывается, как и его кратковременная пиковая мощность, хотя для современных процессоров она может значительно превышать TDP.
Материнская плата указывается через форм-фактор. По этому параметру добавляется определенная мощность (ATX — 70 Вт, Micro-ATX — 60 Вт, Mini-ATX — 30 Вт).
Видеокарт в списке достаточно. Мы нашли нужную GTX1650 Super. Однако не обнаружили RTX 3060Ti, хотя другие карты серии 3000 от NVIDIA присутствуют.
Память выбирается по типу и объему. Например, одна плашка DDR4 объемом 8 Гб добавляет 3 Вт.
Есть возможность добавить SSD по его объему. Выбор одного SSD на 250 Гб добавляет 15 Вт, независимо от его объема.
HDD указывается по скорости вращения шпинделя и форм-фактору. При этом HDD с 7200RPM и 3.5″ добавляет 15 Вт, что в среднем недалеко от реальности.
Результаты расчетов
Рассчитанная мощность калькулятором Сoolermaster
Измеренная потребляемая мощность ПК
Калькулятор от Shop.kz
Калькулятор примечателен своим удобным лаконичным интерфейсом. По параметрам, которые используются для расчетов, калькулятор идентичен калькулятору от Сoolermaster с той лишь разницей, что в расчете дополнительно учитываются используемые вентиляторы охлаждения и система жидкостного охлаждения.
Для конфигурации ПК1 это добавило еще 10 Вт (по 5 Вт на вентилятор) по сравнению с расчетами на калькуляторе Сoolermaster.
Результаты расчетов
Рассчитанная мощность калькулятором Shop.kz
Измеренная потребляемая мощность ПК
Калькулятор от Seasonic
Калькулятор от известного популярного производителя БП.
Данный калькулятор с красочным интерфейсом отличается от рассматриваемых тем, что в результате расчетов пользователь не получает значение мощности. Так как нет значений мощности, то и сравнивать нечего. Но Seasonic широко, а главное, положительно известна своими блоками питания. Результатом расчетов сразу же является предложение подходящих блоков питания от Seasonic.
Калькулятор от Outervision
В калькуляторе есть возможность выбора платформы, разработчики этот раздел почему-то назвали Motherboard. По умолчанию выбран Desktop, который сразу в расчет добавляет 62 Вт мощности.
Мощность процессора определяется по его TDP. Пиковая потребляемая мощность процессора не учитывается.
Однако у калькулятора есть интересная особенность — учет параметров разгона процессора (частота и напряжение питания ядер) и видеокарты.
Память выбирается по типу и объему. Кстати, для памяти частоту разгона указать не получится, что выглядит немного не логично.
Предусмотрен выбор всевозможных устройств хранения, даже дисков с интерфейсом IDE. Есть и SSD M.2. Обширный список устройств с интерфейсом PCI и PCIe и большой выбор прочих устройств, от USB до светодиодной ленты.
Все здорово, но своей видеокарты GTX 1650 Super автор не обнаружил. Выбираем 1660, а, так как она потребляет на 20 Вт больше, то в расчетном значении вычтем 20 Вт.
В итоге получаем расчетную максимальную потребляемую мощность системы, рекомендуемую минимальную мощность блока питания (Recommended PSU Wattage) и, внимание, рекомендуемую мощность источника бесперебойного питания — ИБП (Recommended UPS rating). Вот для чего мы указываем монитор.
Результаты
Рассчитанная мощность калькулятором Outervision
Измеренная потребляемая мощность ПК
*за вычетом 20 Вт на реально установленную GTX 1650 Super. В скобках указана рекомендуемая минимальная мощность БП
Считать или не считать — выводы и результаты
Подведем итог. Сведем все результаты в одну таблицу.
Измеренная мощность ПК
Калькулятор Bequiet
Калькулятор Сoolermaster
Калькулятор Outervision
Калькулятор Shop.kz
Наиболее близкую к реальности мощность показывает калькулятор от Bequiet. Его разработчики рекомендуют использовать БП в режиме нагрузки от 50 до 80 %. Я бы остановился на рекомендации в 50 % — будет некий запас на комплектующие и те режимы работы, которые не учитывает калькулятор, плюс получим выигрыш в тишине. Тогда для рассматриваемой конфигурации ПК1 будет оптимальным использование БП мощностью 400 Вт. Может показаться, что этого маловато, но надо понимать, что калькулятор предполагает использование блоков питания от Bequiet с честной выходной мощностью.
Калькулятор Bequiet прост в использовании, но не учитывает множество устройств, которые могут быть установлены, а их потребление в сумме может быть очень даже весомым.
В калькуляторе от CoolerMaster добавлена возможность указывать типоразмер материнской платы. Это добавляет определенный резерв мощности, который может пригодиться для не учтенных комплектующих. Во всем остальном он схож с Bequiet и к нему можно применять те же рекомендации по выбору БП.
Калькулятор от CoolerMaster резервирует фиксированную мощность для неучтенных комплектующих и режимов работы.
Калькулятор от Shop.kz практически не отличается от предыдущего, за исключением того, что учитывает корпусные вентиляторы охлаждения и СЖО. Но на фоне потребления процессора и видеокарты и допускаемых погрешностей это не существенно. Если, конечно, у вас не установлены десятки вентиляторов.
Как уже было сказано выше, калькулятор от Seasonic не показывает рассчитанную мощность БП. Видимо, разработчики решили не грузить пользователя техническими терминами, а сразу предложили подходящую к заданной конфигурации модель БП. Разумеется, от Seasonic. И такой вариант тоже может быть вполне востребован.
Если в ПК присутствует много дополнительных устройств, то лучше все-таки использовать калькулятор от Outervision.
Калькулятор Outervision выдает сразу рекомендуемую мощность БП. Для рассматриваемой конфигурации ПК1 калькулятор рекомендует БП мощностью 358 Вт. Округляем в большую сторону до ближайшей сотни — получаем 400 Вт.
При расчете можно учесть время использования компьютера за сутки. При этом калькулятор добавляет 5 % к рекомендуемой минимальной мощности блока питания, если ПК будет использоваться в режиме 24/7 против одного часа. Таким образом условно определяется некий запас надежности БП при круглосуточной работе ПК.
Калькулятор показывает предполагаемый ток по основным линиям БП, предлагает рассчитать экономию электроэнергии и финансовую выгоду при использовании БП с более продвинутыми сертификатами эффективности. Правда, применительно это только к БП от EVGA.
Калькулятор Outervision рассчитывает мощность источника бесперебойного питания (ИБП). Не забудьте указать диагональ используемого монитора.
Все калькуляторы в некоторой степени грешат отсутствием некоторых моделей комплектующих. Наверное обычный пользователь не станет искать схожие по характеристикам модели, анализировать и сравнивать. Если возникнет такая проблема, то скорее всего он просто откажется от калькулятора и пойдет по форумам с вопросом какой БП выбрать.
Для таких юзеров есть и другие способы определения мощности БП. Например, можно ориентироваться на рекомендации производителей видеокарт. В частности, для GTX-1650 Super рекомендуется мощность БП 450 Вт, что в общем, соответствует значениям, которые получены при помощи калькуляторов с учетом рекомендаций.
Если же в ПК не используется отдельная видеокарта, то можно смело использовать современный блок питания с минимальной мощностью 300–400 Вт. Этого будет более чем достаточно для стандартной конфигурации настольного ПК.
Принимая во внимание поправки к программам, всеми перечисленными калькуляторами можно уверенно пользоваться. Результаты получаются вполне достоверными, а рекомендации по блокам питания — жизнеспособными. Для продвинутых пользователей больше подходит Outervision благодаря куче дополнительных опций и расширенным советам. Для владельцев ПК с минимальной конфигурацией можно использовать калькуляторы от Bequiet или Сoolermaster, хотя бы просто чтобы не запутаться. В любом случае онлайн-калькуляторы являются отличным инструментом для оценки потребляемой мощности вашего ПК и помогут в выборе блока питания или даже ИБП.
Как выбрать блок питания для компьютера можно почитать тут, или тут. А для любознательных есть хорошая публикация о том, как работает БП компьютера.
Читайте также: