Как работает кулер компьютера

Обновлено: 30.06.2024

Компьютерный вентилятор представляет собой несложную конструкцию, обычно состоящую из бесколлекторного электродвигателя постоянного тока и лопастей крыльчатки, которые приводятся в движение для перемещения воздушных масс. Это устройство давно стало стандартным компонентом в системах охлаждения современных компьютеров, однако для производства вентиляторов до сих пор применяются различные технологии и принципы. В этом материале мы попробуем разобраться с одним из наиболее часто возникающих вопросов по этим, казалось бы, банальным комплектующим: типу и характеристикам подшипников.

Возможно, вы могли видеть, как на упаковках кулеров производители указывают слово бесколлекторный (brushless) применительно к типу используемого вентилятора. Но какой же смысл несет данное обозначение? Чтобы понять это, следует сначала разобраться, как работает коллекторный (brushed) электромотор.

В простейшем случае, так называемый коллекторный электродвигатель постоянного тока (словосочетание “постоянный ток” повторяется нами вновь, так как именно DC, Direct Current, служит источником питания для компьютерных вентиляторов) является неким металлическим цилиндром, вокруг которого закручена медная проволока. Более корректным языком следует называть эту пару ротором с обмоткой. На цилиндре закреплен вал, и в совокупности это соединение подвижно. Таким образом, при движении цилиндра, вращение передается на вал, который, в свою очередь, уже может быть соединен со следующими движимыми компонентами системы. В частности, именно на валу закреплена крыльчатка интересующих нас кулеров.

При подаче энергии на обмотку прежде нейтрального цилиндра, он превращается в электромагнит, генерирующий магнитное поле между двумя полюсами (называемыми северным и южным). Кроме того, вокруг мотора дополнительно помещаются два магнита с противоположной полярностью (поляризующих магнита, статора). В то время, когда генерируемое рабочим электромагнитом магнитное поле оказывается противоположным создаваемому статичными магнитами, мотор приходит в движение; действует пара сил Ампера (ведь одноименные магнитные полюса отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются). Мы отобразили данный начальный этап на первом рисунке.

В статье я приведу несколько быстрых и не очень способов как проверить вентиляторы вашего компьютера на работоспособность. Если кулер не работает, то по какой причине, и можно ли его в случае чего восстановить? Вентилятор охлаждения, он же кулер, самый простой и долговечный механизм в чреве компьютера. Не знаю, что послужило причиной к его остановке, но причин на то крайне мало.

Давайте его проверять

В статье буду использовать подручные инструменты, пользование которыми может себе позволить самый явный гуманитарий. Если в доме содержаться измерительные приборы, типа мультиметра, ничего нового ниже по тексту вы не обнаружите.

Итак, кулер не работает. Какие варианты?

Ну, чудес не бывает. Здесь либо:

механизм застопорен, лопастям что-то мешает физически
крутиться не должен, ибо управляющего сигнала на вращение нет (система считает, что порог температуры не достигнут)
отсутствие электрического сигнала на сам вентилятор

Как разобрать кулер?

Чистим и смазываем.

Отдираем наклейку в части входа проводов питания и вынимаем резиновую заглушку по центру, защищающую механизм:

Набираем на кончик отвёртки, зубочистки и т.д. масло (подойдёт любое техническое, растительное из кухни быстро высыхает, оставляя после себя грязь) и промакаем механизм по центру, вращая пальцем лопасти. Так несколько раз:

ну, у меня-то маслёнка есть давно для этих целей

Заглушку и наклейку лучше вернуть на место, чтобы пыль сюда не попадала.

Проверяем вентилятор: способ раз.

Разъём в руках или нет, осматриваем маркировку вентилятора. Ищем вольтаж:

Их лучше между собой надолго не перемыкать: ничего не взорвётся, конечно, но источник питания вам может ещё пригодиться.

Для наглядности я отрезал разъём от кулера и замыкаю на видео прямо на батарейку:

Проверяем вентилятор: способ два или оч.умелые ручки.

А с помощью этого варианта вы можете как проверить работоспособность, так и использовать рабочий, но неиспользуемый кулер в качестве вентилятора от тех источников питания, которые имеют на выходе 12 В (например, в авто). И подключаться он, кулер, будет через USB кабель. Для этого потребуется:

б\у кабель USB от любого ненужного устройства (хороший кабель не стоит, конечно, специально портить)
рабочий кулер

Здесь всё просто. От кабеля отрезаем разъём к другому устройству, оставляя сам USB коннектор. Нам нужны провода со знакомой вам цветовой маркировкой: чёрный и красный . Соединяем с соответствующими проводами кулера. Изолируем и подключаем:

красный на красный, чёрный на чёрный

Предупреждаю. Надолго крутящийся вентилятор, питающийся таким способом, не оставляйте! Способ указан только для проверки работоспособности.

Тестирование процессорных кулеров (или процессорных охладителей), несмотря на относительную простоту самих устройств, не такая простая задача. Наверное, главная проблема при проведении тестирования процессорных кулеров — определение метода и способа их тестирования. В интернете можно найти несколько различных подходов к этой проблеме, но, как говорится, сколько людей, столько и мнений, поэтому далее мы представим наш собственный взгляд на тестирование кулеров.

Обычно тестирование кулеров сводится к измерению температуры процессора при различных режимах его загрузки, то есть оценивается эффективность охлаждения конкретного процессора. Еще одним важным параметром для кулеров является шум, издаваемый ими при работе, который можно измерить с помощью чувствительного шумомера. На наш взгляд, совокупность этих двух параметров может достаточно четко охарактеризовать конкретную модель кулера и позволит в дальнейшем выбирать для покупки оптимальную модель на основе этих данных. Главная идея нашего тестирования заключается в том, чтобы построить кривую соответствия уровня шума и температуры для определенной модели кулера. При этом мы сознательно обходим такое понятие, как скорость вращения крыльчатки вентилятора кулера. Это объясняется тем, что на текущий момент существует множество моделей с несколькими вентиляторами, а также системы водяного охлаждения, в которых само понятие скорости вращения несколько расплывчато. Как мы думаем, для пользователя важными параметрами являются именно шум и эффективность охлаждения, а сравнение кулеров по остальным параметрам — весьма спорный подход к тестированию.

Конечно, построить такой график достаточно просто, имея отдельный стенд для тестирования и чувствительный шумомер, но есть небольшой нюанс, на который бы хотелось обратить внимание. Он заключается в том, что если мы привязываемся к одному стенду для тестирования, а управление кулером передаем системной плате, то после установки кулера на процессор тестируется уже не столько сам кулер, сколько связка из трех устройств: кулер, материнская плата и процессор. Таким образом, результаты для разных системных плат могут сильно отличаться друг от друга, и для корректного, на наш взгляд, сравнения кулеров такой метод не совсем подходит. Для того чтобы отвязаться от конкретной системной платы, мы реализовали свою собственную систему управления кулером, которая включает в себя управление двумя популярными способами, используемыми на современных системных платах.

Первый из них заключается в том, чтобы динамически изменять напряжение питания, регулируя тем самым обороты крыльчатки вентилятора на кулере (в случае водяной СО регулируется скорость водяного потока и охлаждающих вентиляторов). То есть по мере роста температуры процессора увеличивается и напряжение питания кулера, а следовательно, возрастает скорость вращения вентилятора. Для современных системных плат диапазон изменения напряжения составляет от 6 до 12 В. Причем если 12 В — это достаточно четкий верхний предел, то для некоторых материнских плат нижняя граница напряжения может быть и ниже 6 В. Стоит также отметить, что изменение таблицы соответствия текущей температуры процессора и напряжения питания кулера обычно доступно для пользователя в весьма условной форме, а сама таблица может изменяться от одной версии BIOS к другой. Кулеры, поддерживающие только технологию динамического изменения напряжения питания, оснащаются 3-контактными разъемами: два контакта используются для подачи напряжения питания, а третий служит для передачи сигнала тахометра, с помощью которого контролируется текущая скорость вращения вентилятора (обычно она указывается в оборотах в минуту, об/мин, или Rotation Per Minute, RPM).

Второй способ управления скоростью вращения вентилятора — применение управляющего сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, или Pulse Width Modulation, PWM). Специальный ШИМ-контроллер на материнской плате формирует последовательность прямоугольных импульсов, подаваемых на контроллер вентилятора. Эти импульсы применяются как управляющие сигналы для работы вентилятора. Частота управляющих ШИМ-импульсов остается неизменной, меняется лишь их коэффициент заполнения (Duty Cicle), определяемый как отношение времени, которое ШИМ-сигнал находится при высоком напряжении, к длительности всего импульса. Для системных плат типичная частота следования ШИМ-импульсов составляет 21-23 кГц (стандартом допускается от 21 до 28 кГц), а коэффициент заполнения импульсов варьируется от 40% до 100%, однако нижняя граница зависит от конкретного ШИМ-контроллера и может быть ниже 40%. Отметим, что все кулеры, поддерживающие ШИМ-технологию, оснащены 4-контактным разъемом и обратно совместимы с управлением через динамическое изменение напряжения питания.

Условия и инструменты тестирования

С учетом этих особенностей мы постарались обеспечить независимость результатов испытаний от материнской платы с помощью отдельного ШИМ-контроллера и блока питания, к которым и подключается исследуемая модель кулера. Увы, отказаться от использования процессора как основного «нагревательного» элемента нельзя в силу того, что реализовать управляемую модель процессора с изменяемыми параметрами мы пока не можем.

Поэтому для тестирования эффективности охлаждения мы использовали стенд, состоящий из системной платы Biostar TPower X79 и процессора Intel Core i7-3820 c TDP 130 Вт. У процессора был отключен режим Turbo Boost, и для всех ядер был выставлен множитель 38, то есть все ядра Intel Core i7-3820 работали на фиксированной частоте 3,8 ГГц, а напряжение питания процессора составляло 1,35 В. На стенде была установлена видеокарта Nvidia GeForce 7600 GS с интерфейсом PCI-E. В качестве оперативной памяти использовались два модуля Kingston KVR1333D3N8K2 и один модуль Patriot G2 (PGD34G1600ELK), работающие на частоте 1333 МГц и общим объемом 3 ГБ. Мы предполагаем, что в дальнейшем можем перейти к использованию другой платы для тестирования, так как некоторые из кулеров попросту не поддерживают установку на разъем Socket (LGA) 2011. Как только это произойдет, методика будет дополнена.

Для формирования управляющих ШИМ-импульсов применялся отдельный ШИМ-контроллер, который позволял задавать коэффициент заполнения в пределах от 0 до 100% с частотой 25 кГц и амплитудой 5 В. Для задания необходимого напряжения питания использовался внешний блок питания Mastech HY1802D, позволяющий регулировать напряжение питания в диапазоне от 0 до 18 В. Скорость вращения вентилятора контролировалась посредством данных утилиты AIDA64 и данных, полученных с платы ШИМ-контроллера (к ней также был подключен провод от тахометра вентилятора).

Процессор загружался на 100% с помощью утилиты AIDA64 и ее теста Stress FPU, который использует вычисления с плавающей запятой и в большей степени нагревает процессор.

Температура процессора контролировалась с помощью утилиты Real Temp GT 3.7. Процессор в режиме максимальной нагрузки разогревался до тех пор, пока его температура не стабилизировалась (от 5 до 15 минут). В режиме простоя, то есть когда процессор нагружен не более чем на 3-4%, данные температуры снимались по истечении 10-25 минут. Поскольку утилита показывает температуру для каждого из ядер, за общую температуру мы берем среднее (среднее арифметическое) значение по всем четырем ядрам на момент измерения.

Измерение уровня шума проводилось в специальной звукопоглощающей камере. Высокочувствительный шумомер располагался в 50 см от центра процессорного разъема на высоте 50 см от плоскости системной платы, так что расстояние до процессора по прямой составляло около 70 см. Такое местоположение было выбрано, чтобы не привязываться к габаритам тестируемого кулера. Показания уровня шума снимались после стабилизации в течение 3-5 минут. Отметим, что при измерении уровня шума не использовалась стандартная методика, поэтому полученные нами цифры нельзя сравнивать с уровнем шума, указанным в технических характеристиках кулеров — их можно применять только для сравнения уровня шума кулеров, протестированных именно по нашей методике. Согласно нашим замерам, при отсутствии источников шума показания шумомера в звукопоглощающей комнате составляют 17,9 дБА. Субьективно уровень шума в этой комнате настолько низкий, что воспринимается среднестатистическим человеком как полная и «гнетущая» тишина.

Этапы тестирования

определение зависимости скорости вращения вентилятора кулера от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания;
определение зависимости температуры процессора в режиме простоя от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания;
определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания;
определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания;
построение кривой соответствия уровня шума и температуры в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания;
определение напряжения питания, при котором вентилятор начинает свое вращение;
определение напряжения питания, ниже которого вентилятор прекращает свое вращение.

Этап 1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора кулера от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания

Как видно из приведенных графиков, минимальные и максимальные значения скорости вращения для разных типов управления у одной и той же модели кулера могут отличаться. Более того, несмотря на то, что метод динамического изменения питания уже практически не применяется в кулерах, при его использовании иногда можно получить более широкий диапазон скоростей вращения, что позволит добиться совершенно иного графика соответствия шума и скорости вращения. В применении к данному кулеру, управление с помощью ШИМ предпочтительнее, так как диапазон оборотов шире, хотя и ненамного.

Этап 2. Определение зависимости температуры процессора в режиме простоя от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания

Управление кулером за счет изменения напряжения питания позволило получить более плавный график снижения температуры, чем при использовании ШИМ-контроллера.

Этап 3. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания

Как видно, в режиме максимальной нагрузки различие между типами управления этого кулера не так явно сказывается на температуре, как в режиме простоя.

Этап 4. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания

Этап 5. Построение кривой соответствия уровня шума и температуры в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания

Этапы 6 и 7. Определение напряжения питания, при котором вентилятор начинает свое вращение, и определение напряжения питания, ниже которого вентилятор прекращает свое вращение

Пусковое напряжение, В	6,6
Остановка крыльчатки, В	4,5

Для вентилятора, установленного на кулер Cooler Master Elite X6, минимальное напряжение, при котором он начинает свое вращение, на 2 В выше, чем минимальное напряжение, при котором он еще крутится. Это достаточно важный параметр, так как эта разница может быть и больше, и меньше в зависимости от модели. К слову сказать, этот параметр зависит еще и от наработки, то есть от износа и загрязненности подшипников, от степени деградации смазки в подшипниках. Стоит учитывать, что большинство системных плат и их BIOS созданы таким образом, что при запуске или перезагрузке подают на подключенные вентиляторы и кулеры максимальное напряжение, что обеспечивает гарантированный запуск всех вентиляторов.

Заключение

В качестве небольшого заключения отметим, что данная методика новая, поэтому в ней могут быть недочеты и в нее, скорее всего, впоследствии будут внесены различные изменения. В силу объективных причин у нас нет возможности оценить уровень шума кулера в различных условиях эксплуатации, а именно в малогабаритных и больших корпусах, так как для каждого случая это будет индивидуальный показатель. Возможно, в будущем мы добавим оценку такого важного параметра, как габариты кулера, поскольку некоторые «монстрообразные» модели далеко не всегда можно разместить на стандартных системных платах из-за того, что они будут мешать другим компонентам ПК. На наш взгляд, любой кулер в конечном счете должен отвечать двум главным критериям: во-первых, он должен справляться с охлаждением процессора при максимальной загрузке, а во-вторых — быть тихим. Если кулер отвечает этим двум критериям, то совершенно неважно, какова скорость его вращения, какой воздушный поток он создает и т. п. Поэтому при тестировании кулеров мы сосредоточились на измерении и сопоставлении именно этих двух характеристик — эффективности охлаждения и уровня создаваемого шума.

Вы когда-нибудь задумывались, почему греется центральный процессор компьютера и почему для его охлаждения необходимо, порой, приобретать дорогостоящую систему охлаждения? Сегодня мы попробуем с вами разобраться, что такое кулер, зачем он нужен и как выбрать оптимальную модель именно для вашего центрального процессора.

Кулер – система охлаждения для элементов, выделяющих большое количество тепла при работе. В современных компьютерах он устанавливается на центральные процессоры и видеокарты. Состоит из следующих элементов:

Радиатор – забирает тепло с процессора

Вентилятор – охлаждает радиатор

Эти два компонента и образуют систему охлаждения для центрального процессора. Радиатор устанавливается вплотную к центральному процессору, а вентилятор охлаждает радиатор, однако для эффективного охлаждения требуется кулер, который подойдет именно для вашего центрального процессора. Кулера отличаются не только способом крепления к центральному процессору, но и: -

Площадью радиатора – чем площадь радиатора больше, тем больше тепла может поглотить и рассеять

Вентилятором – размер, форма лопастей, скорость вращения, создаваемый шум

Форм-фактором

Площадь радиатора зависит от размера используемого бруска алюминия или меди, количества алюминиевых или медных пластин, количества медных тепловых трубок, размера медного сердечника. Чем больше площадь радиатора, тем большее количество тепла он сможет в себя принять. Например, если вы поставите заводской кулер компании Intel на топовый процессор этой же компании, то удивитесь, как быстро нагреется и центральный процессор, и радиатор. Он попросту не сможет увести тепло с теплораспределительной крышечки процессора, поэтому они оба будут сильно греться и пользоваться таким компьютером будет невозможно. Другое дело, если вы поставите кулер с большим радиатором. Он сможет забрать гораздо большее количество тепла и, пока он это делает, вентилятор будет активно помогать радиатору охладиться.

Читайте также: