Ujarzmić wiatraki
2003-10-18

   


Producenci współczesnych pecetów montują w swoich maszynach coraz więcej wentylatorów. Gdyby nie te "śmigła", podzespoły komputerów szybko by się spaliły. Ale nieustanny szum wiatraków bardzo drażni - spróbujmy więc go nieco zmniejszyć.

  

Rys. 1. Sterowany przez port szeregowy układ kontrolera prędkości obrotowej wentylatorów nie jest skomplikowany ani kosztowny.
Dwa układy scalone, cztery stabilizatory, kilka tranzystorów, rezystorów i kondensatorów - wszystko tanie i łatwo dostępne.

Ilość ciepła wydzielanego przez większość komputerowych podzespołów ściśle zależy od obciążenia maszyny. Procesor czy karta graficzna rozgrzewają się silnie po uruchomieniu jakiejś gry. Wtedy wydajne chłodzenie jest po prostu konieczne i musimy się pogodzić z tym, że pecet bardzo hałasuje.       Kiedy jednak przeglądamy strony internetowe lub zajmujemy się pracą biurową, obciążenie systemu sięga zwykle tylko kilku procent, a ilość ciepła wydzielanego przez podzespoły spada radykalnie. Wyjące na pełnych obrotach wentylatory przestają być potrzebne - warto więc mieć możliwość wyłączenia śmigiełek albo zmniejszenia ich prędkości obrotowej.       Spróbujemy skonstruować układ sterowania wentylatorami. Pamiętajmy jednak, że na całkowite ich wyłączanie możemy sobie pozwolić tylko w przypadku coolerów mniej istotnych dla pracy komputera. Wiatraczki zainstalowane na kluczowych podzespołach (procesor, karta graficzna, zasilacz...) powinny pracować stale, gdyż brak przepływu powietrza może doprowadzić do przegrzewania się elementów. Wypadnie zatem wypracować kompromis między hałasem a wydajnością chłodzenia i tylko zmniejszyć prędkość obrotową wiatraczków, bacznie obserwując temperatury w programach monitorujących czujniki płyty głównej.   Jak tym kręcić? Układ regulatora obrotów może przybrać najrozmaitsze postaci. Przy standardowym napięciu zasilającym (12 V) wiatraczek rozpędza się do nominalnej, przewidzianej przez producenta prędkości obrotowej. Kiedy jednak napięcie obniżymy, będzie kręcił się wolniej. Oczywiście nie możemy obniżać napięcia w nieskończoność. Testy praktyczne wykazały, iż klasyczne, dwunastowoltowe wentylatory pracują poprawnie do ok. 5 V - poniżej tego napięcia już się zatrzymują. Nasze zadanie jest więc proste - trzeba zbudować regulator napięcia w zakresie od 5 do 12 V, co pozwoli na dobranie pożądanej prędkości obrotowej.       Najprostszym rozwiązaniem problemu jest zastosowanie zwyczajnego rezystora włączonego szeregowo z wentylatorem. W ten sposób łatwo uzyskamy potrzebne nam mniejsze napięcie. Zamiast rezystora możliwe jest też zastosowanie szeregowo włączonych diod prostowniczych. Na każdej z nich napięcie zasilające obniży się o ok. 0,7 V, za pomocą kilku elementów obniżymy więc zasilanie wiatraczka do wymaganego poziomu.       Montując przełącznik zwierający rezystor lub diody, uzyskamy możliwość skokowej regulacji napięcia zasilającego wentylator. Przy rozwartym przełączniku prąd do wiatraczka popłynie przez diody lub rezystor i jego szybkość obrotowa się zmniejszy. Zwierając przełącznik, przywrócimy pierwotne zasilanie i pełną prędkość obrotową, a więc i maksymalne chłodzenie.       Jeśli nie wystarczy nam skokowa regulacja obrotów, wypadnie zbudować układ pozwalający na płynną zmianę napięcia zasilania. Najłatwiej jest zastosować potencjometr i włączyć go do obwodu jak zwykły rezystor.       Gdy i taka prosta regulacja jest niewystarczająca, sięgamy po elektroniczny stabilizator napięcia. Nie, nie chodzi wcale o jakiś skomplikowany układ. Wystarczy wlutowany "w pająku" regulowany, scalony stabilizator napięcia (np. LM317T), miniaturowy potencjometr i dwa rezystory. To wszystko! Szczegóły dotyczące budowy i praktycznego wykonania tego układziku (oraz innych regulatorów) opisałem w ramce "Najprostsze metody regulacji prędkości wentylatorów"na na s.158.

  

Rys. 2. Sterowany przez port szeregowy układ kontrolera prędkości obrotowej wentylatorów nie jest skomplikowany ani kosztowny.
Dwa układy scalone, cztery stabilizatory, kilka tranzystorów, rezystorów i kondensatorów - wszystko tanie i łatwo dostępne.

Lepiej programowo Jeśli zdecydujemy się na zbudowanie nieco bardziej skomplikowanego układu elektronicznego, to w zamian za nasz wysiłek i ok. 20 zł (koszt podzespołów) będziemy regulowali prędkość obrotów czterech wentylatorów za pomocą okienkowego programu.       I tak dostosujemy obroty wiatraczków do aktualnych potrzeb. Jak się zabrać za realizację takiego zadania? Jedno z możliwych rozwiązań przedstawia powyższy schemat.       Użytkownik, zmieniając ustawienia programu kontrolnego, generuje sygnały sterujące. Po uformowaniu odpowiednich ciągów bitowych są one wysyłane do wskazanego portu szeregowego i dalej do naszego interfejsu. Tam, po przejściu przez wstępną obróbkę w układzie 74HCT14, trafiają one do pełniącego rolę pamięci rejestru przesuwnego z zatrzaskiem (4094). Dysponuje on ośmioma wyjściami, z których każde może przyjąć stan 0 lub 1. Ponieważ zamierzamy zarządzać czterema wentylatorami, na każde ze śmigiełek przypadną nam po dwa bity. To wprawdzie niewiele - będą dostępne tylko cztery stany (kombinacje 00, 01, 10 i 11) - ale do sterowania wentylatorami w zupełności wystarczy.       Ale jak za pomocą dwubitowej linii cyfrowej sterować napięciem zasilającym wiatraczek? Podchodząc do sprawy profesjonalnie, trzeba by użyć przetwornika cyfrowo-analogowego. I tak zrobimy. Rolę przetwornika pełnić będą dwa tranzystory załączające rezystory umieszczone w ich obwodach kolektorowych. Pozwolą nam one skokowo zmieniać rezystancję wyjściową układu. Od zmian rezystancji już bardzo blisko do kontrolowania napięcia - po raz kolejny pomoże nam tani, regulowany stabilizator LM317T. Włączając nasz "zmienny rezystor" w jego obwód sterowania, dostaniemy do ręki możliwość regulacji napięcia wyjściowego ze stabilizatora.       Kiedy zastosujemy rezystory o podanych na schemacie wartościach, uzyskamy napięcia: 5, 7, 9 i 11 V. Obciążalność prądowa układu jest rzędu 1 A. Gdyby zaszła konieczność zmiany zakresu napięć, to wypadnie nieco skorygować (np. o 100 W ) wartości rezystorów kolektorowych (1,2 kW i 1,6 kW). Wystarczy pamiętać, że mniejszy opór to mniejsze napięcie wyjściowe.

Budujemy kontroler Układ należy zmontować na płytce drukowanej. Nie trzeba stosować żadnych elementów w miniaturowych obudowach do montażu powierzchniowego, wystarczy więc płytka jednostronna, łatwa do wykonania dla każdego amatora.       Zadbajmy o bardzo staranne wykonanie całości - układzik zostanie podłączony bezpośrednio do portu szeregowego płyty głównej i komputerowego zasilacza o bardzo dużej mocy! W pewnych okolicznościach błędy montażu czy przypadkowe zwarcia mogą doprowadzić do poważnych uszkodzeń. A zatem jak zawsze zalecana jest szczególna ostrożność. Dotyczy to nie tylko samego lutowania podzespołów, ale i późniejszego montażu płytki w komputerze. Niebezpieczne są zarówno połączenia (ścieżki i przewody), jak i np. radiatory (blaszki) stabilizatorów LM317T. Ich potencjał jest taki sam jak wartość napięcia wyjściowego, podawanego na wentylator. Radiatory nie mogą więc stykać się ze sobą ani dotykać do obudowy (masy) komputera.       Właśnie ze względu na bezpieczeństwo i wygodę użytkowania wskazane jest też zastosowanie gniazdek połączeniowych dla wszystkich wyprowadzeń. Ich rodzaj jest w zasadzie obojętny. Jedynie gniazdo zasilające powinno być typowe (molex) - łatwo podłączymy doń standardową wtyczkę zasilacza, taką jak dla HDD, napędu CD-ROM itp.       Zwróćmy też uwagę na połączenia z portem szeregowym. Wymagany jest tylko przewód dwużyłowy (TXD oraz masa), ale warto zastosować kabel ekranowany (jedna żyła w ekranie). Rodzaj wtyku zależy od płyty głównej. W starszych modelach konieczne jest wyprowadzenie przewodu na zewnątrz obudowy (np. przez otwór po "śledziu") i zakończenie go typową, żeńską wtyczką (DB9). Nowsze płyty coraz częściej mają jedno gniazdo COM wyprowadzone na zewnątrz, a drugie istnieje jedynie w postaci "szpilek" na samej płycie. W takim przypadku wygodniej jest zrezygnować z montowania "śledzia" z portem COM2 i podłączyć sterownik bezpośrednio do szpilkowego złącza płyty (za pomocą odpowiedniej wtyczki).       Na koniec pozostaje kwestia przyłączenia samych wentylatorków. Z dodatkowymi śmigiełkami nie ma żadnego problemu: plus i minus wiatraczka podpinamy do odpowiednich styków interfejsu. W przypadku coolerka procesora czy karty graficznej, zasilanego z trzypinowego gniazda, sprawa nieco się komplikuje. Aby nie utracić funkcji kontroli obrotów i maksymalnie ograniczyć prowadzenie dodatkowych przewodów w obudowie, najlepiej będzie odszukać przewód "+" wentylatora. Zazwyczaj jest to środkowy przewód w trzyszpilkowym złączu. Za pomocą igły wyciągamy go z plastikowej oprawy wtyku. Przewód masy i kontroli obrotów pozostawiamy na swoim miejscu, a "uwolniony" wcześniej styk zasilania podłączamy do jednego z wyprowadzeń układu sterującego - oczywiście do tego oznaczonego jako "+".

  

Rys. 2. Jeśli wyprowadzenia wyposażymy w odpowiednie złącza, to będzie można łatwo "odpinać" wszystkie przewody.

Przesuń suwak Zamieszczony na CHIP-CD program sterujący układem to prosta, niewymagająca instalacji aplikacja. Cztery symbole wentylatorów i cztery umieszczone pod nimi suwaczki nie pozostawiają żadnych wątpliwości - operując suwakami, regulujemy szybkość obrotową wentylatorów. Każdy wiatraczek może być ustawiany niezależnie, a jego stan zostanie automatycznie zapamiętany przy zamykaniu programu i ponownie wczytany przy uruchamianiu aplikacji.       Stała praca programu sterującego nie jest konieczna. Wystarczy, że uruchomimy narzędzie i zamkniemy je zaraz po ustawieniu prędkości obrotowych. Po kolejnym starcie programu wiatraczki będą pracowały bez zmian - chyba że przesuniemy suwaki albo skorzystamy z opcji szybkiego dostępu.       Aby wszystko działało prawidłowo, należy oczywiście ustawić w programie właściwy port COM (ten, do którego podłączony jest interfejs) i rozwiązać jeszcze jeden drobny problem: "rozprogramowanie" układu po wyłączeniu zasilania. Nasz kontroler nie ma pamięci trwałej typu EEPROM, flash itp. Wypadnie więc skorzystać z danych zapisywanych na dysku. Po każdym starcie systemu wystarczy uruchomić i zamknąć program, aby te informacje zostały pobrane i wysłane do sterownika.       W tym miejscu nasuwa się oczywista myśl - może by to jakoś zautomatyzować? Da się to zrobić, i to dość łatwo - za pomocą systemowego Autostartu. Przeciągamy ikonę naszego programu do folderu Autostart i mamy pewność, że aplikacja uruchomi się sama. Niestety, zamykać trzeba ją ręcznie. To bardzo niewygodne, zafundujmy więc sobie trochę automatyki.   Z opcjami i bez Program sterujący oferuje tryb pracy automatycznej, aktywowany poprzez umieszczenie parametru za nazwą aplikacji. Zajrzyjmy do właściwości skrótu w Autostarcie i za nazwą pliku wiatraczki.exe dopiszmy po spacji słowo auto. Po restarcie systemu nie zobaczymy już na ekranie okna programu. Wykona on swoje zadanie synchronizacji aktualnych obrotów z zapisem na dysku i samoczynnie się zamknie.       Na tej samej zasadzie wykorzystać można dwa kolejne parametry: max lub min. Tworząc skróty do aplikacji i dopisując przełączniki, uzyskamy szybki dostęp do maksymalnych lub minimalnych obrotów wszystkich wiatraczków. Zamiast uruchamiać program, wybierać opcje MIN lub MAX i zamykać program, klikamy tylko jeden z wcześniej spreparowanych skrótów. Nic na ekranie nie zobaczymy, ale obroty zostaną zmienione.   Co by tu poprawić? Konstrukcja przedstawionego interfejsu umożliwia jego rozbudowę. Podłączając kolejny rejestr przesuwny 4094, uzyskamy dodatkowe osiem bitów sterujących, co pozwoli zwiększyć liczbę obsługiwanych wentylatorów do ośmiu albo poprawić precyzję sterowania czterema wiatraczkami do 16 kroków. Będzie to oczywiście wymagało modyfikacji programu sterującego.       Jeśli już jesteśmy przy programie, to może wprowadzić do niego opcje automatycznego włączania maksymalnego chłodzenia po uruchomieniu konkretnych programów, przy maksymalnym obciążeniu procesora, a może nawet całkowicie automatyczną regulację, opartą na odczycie danych o temperaturze i prędkościach obrotowych wiatraków z czujników płyty głównej? A może jeszcze... To już zostawiamy wszystkim, którzy dokonując tuningu swojego peceta, postawią na komfort pracy. Spokój i cisza podczas prac biurowych albo wydajne chłodzenie w trakcie partyjki Unreala - to wszystko jest w zasięgu każdego użytkownika komputera.

Najprostsze metody regulacji prędkości wentylatorów Rezystor Aby ograniczyć szybkość obrotów wentylatora, wystarczy przeciąć jedną żyłę przewodu zasilającego wiatrak (plus zasilania) i wlutować w nią odpowiedni opornik. Testy praktyczne wykazały, że najlepiej sprawdzają się rezystory o wartości około 50 W, jednak ze względu na różne parametry wentylatorów konkretną wartość dobrać należy eksperymentalnie. Wskazane jest zatem nabycie oporników o podobnych wartościach (30, 40, 50, 60 W) i wykonanie testów.       Trzeba pamiętać o tym, że typowy komputerowy wiatraczek pobiera większy prąd podczas rozruchu niż w czasie normalnej pracy - na rezystorze odłoży się więc w czasie startu większe napięcie. Zjawisko to doprowadza czasem do sytuacji, w której z danym rezystorem wentylator jeszcze się obraca z niewielką prędkością, ale po wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania może już nie wystartować. Napięcie będzie za niskie! W takiej sytuacji wypadnie użyć rezystora o nieco mniejszym oporze, i zdecydować się na odrobinę wyższe obroty, ale za to pewny start.       Istotna jest też maksymalna moc stosowanych oporników. Aby nie doszło do efektownego spalenia się rezystora podczas pracy, należy używać oporników o mocy minimum 2 watów.       Pozostaje jeszcze sprawa przełączania obrotów. Jeśli z dobranym rezystorem uzyskamy zadowalający nas efekt w postaci niewielkich obrotów i cichej pracy, to warto pomyśleć o możliwości chwilowego przywrócenia "pełnego ciągu". Taką funkcję "wyprodukujemy" sobie za pomocą dowolnego przełącznika i kawałka przewodu. Zwarcie przełącznika przywróci bezpośredni przepływ prądu z zasilania do wentylatora i tym samym pełne obroty śmigiełka.

  

Rys. 2. Rezystor

Dioda Podobny jak w przypadku zastosowania rezystora efekt uzyskuje się poprzez wlutowanie szeregowo do zasilania wentylatora (w przeciętym przewodzie plus) jednej lub kilku diod prostowniczych w kierunku przewodzenia. Ich typ nie ma większego znaczenia - mogą to być jakiekolwiek diody prostownicze 1 A/50 V lub mocniejsze. Na każdej z nich nastąpi spadek napięcia ok. 0,7 V, więc np. przy trzech włączonych diodach wiatraczek zasilany będzie napięciem ok. 10 V, przy czterech - 9 V itd. Łatwo jest obliczyć wymaganą liczbę diod dla uzyskania pożądanego napięcia i obrotów. Oczywiście możliwe jest dobudowanie przełącznika zwierającego diody.   Potencjometr Jeśli skokowe regulowanie obrotów okaże się niewystarczające, to niewiele większym nakładem pracy i kosztów da się zbudować układ regulacji płynnej. W zasadzie możliwe jest zastosowanie tylko jednego potencjometru, włączonego tak samo jak klasyczny opornik. Dzięki możliwości zmiany rezystancji daje on szansę na płynną regulację obrotów. Pojawia się jednak wspomniany już wcześniej problem mocy. Trzeba użyć potencjometru o rezystancji ok. 50 W i mocy ponad 2 W - a takie mają z reguły dość duże gabaryty i cenę (kilkadziesiąt zł).

  

Rys. 3. Rezystor

Dużo lepszym rozwiązaniem będzie zatem scalony, regulowany stabilizator napięcia - np. LM317T. Kosztuje on niewiele ponad złotówkę. Do układu podłączamy tylko dwa oporniki i potencjometr (może być nawet miniaturowy, nastawny, gdyż jego moc nie ma znaczenia). Całość lutujemy bez płytki drukowanej - starannie wykonany "pająk" działać będzie bardzo dobrze, zapewniając płynną i elektronicznie stabilizowaną regulację napięcia. Niejako przy okazji pozbędziemy się problemów ze startem bardzo "spowolnionego" wentylatorka - stabilizator utrzyma zadane napięcie bez względu na zmiany poboru prądu.       Rzecz jasna przedstawione tu rozwiązania można ze sobą łączyć, tworząc np. w pustej zatoce 5,25'' cały panel z wyłącznikami i potencjometrami, zapewniający pełną kontrolę chłodzenia.

Program sterujący czterokanałowym regulatorem obrotów Wiatraczki.exe to program sterujący naszym układem regulacji prędkości obrotowej wentylatorów. Nie modyfikuje on Rejestru systemowego, nie wymaga instalacji ani dodatkowych bibliotek. Dla utrzymania ustawionych obrotów nie jest konieczna praca narzędzia "w tle".       Przy pierwszym uruchomieniu aplikacja przyjmuje parametry domyślne: port szeregowy COM2, wszystkie wentylatory ustawione w pozycji MAX. Zmiany dokonane przez użytkownika zapamiętywane są automatycznie w pliku wiatraczki.ini, zapisywanym w katalogu systemowym Windows.       Pracę z programem rozpocząć należy od wybrania portu COM, do którego podłączony jest nasz sterownik. Ze względu na maksymalne uproszczenie układu elektrycznego interfejsu i tylko dwuprzewodowe połączenie z portem szeregowym oprogramowanie nie ma możliwości sprawdzenia, czy układ jest przyłączony do komputera i działa poprawnie. Próby sterowania "pustym" gniazdem COM nie spowodują komunikatów o błędach. Kontrolowana jest natomiast poprawność funkcjonowania wybranego portu szeregowego - program ostrzeże, jeśli port o danym numerze nie istnieje albo jest już zajęty.       Widoczne w oknie programu suwaki pod symbolami wiatraczków pozwalają regulować napięcia podawane na odpowiednie wyjścia i tym samym sterować prędkością obrotową. Regulacja każdego wiatraka może się odbywać niezależnie w czterech krokach. Odpowiada to wartości napięć ok. 5, 7, 9 i 11 V.

  

Rys. 2. Cztery przyciski umieszczone w dolnej części przeznaczone są do szybkiej zmiany obrotów wszystkich wentylatorów jednocześnie.

Cztery przyciski umieszczone w dolnej części przeznaczone są do szybkiej zmiany obrotów wszystkich wentylatorów jednocześnie. MIN i MAX dają możliwość ustawienia jednym kliknięciem minimalnej lub maksymalnej prędkości. Opcje +1 i -1 zwiększają lub zmniejszają obroty wszystkich śmigiełek o jeden "krok".       Program rozpoznaje trzy parametry podawane w linii poleceń za nazwą pliku. Po zidentyfikowaniu jednego z nich włączana jest praca w trybie automatycznym - na ekranie nie pojawi się okno programu, a zaraz po wykonaniu zadania zostanie on automatycznie zamknięty, aby nie zabierał pamięci i mocy obliczeniowej procesora. Komendy sterujące to:   auto - odczytuje z dysku poprzedni stan wentylatorów i przesyła go do interfejsu; max - ustawia prędkość maksymalną wszystkich wentylatorów; min - ustawia prędkość minimalną wszystkich wentylatorów.       Usunięcie aplikacji z systemu polega na skasowaniu pliku głównego wiatraczki.exe, zbioru wiatraczki.ini oraz utworzonych przez użytkownika skrótów do aplikacji.

---