Охлаждение компонентов системного блока

Системный блок современного компьютера содержит ряд компонентов-«пе­чек», выдающихся по энергопотреблению, а следовательно, и тепловыделению (в итоге вся потребляемая мощность выделяется в виде тепла, больше никакой «полезной» работы компьютер не производит). К таким компонентам относят­ся процессор, память повышенного быстродействия, графический акселератор, винчестер с высокой скоростью вращения, магнитооптические накопители, уст­ройства записи оптических дисков, мощные дисковые контроллеры. Возникает задача отвода тепла от самих элементов и вывода тепла из корпуса системного блока. В компьютерах на процессорах первых трех поколений с этой задачей легко справлялся единственный вентилятор блока питания, высасывающий воздух из корпуса системного блока. Поскольку применялись микросхемы со сравнительно невысокой (по нынешним меркам) степенью интеграции, каждая из них выделяла умеренную мощность, а благодаря большим габаритам корпу­сов микросхем тепло с них отводилось в воздух естественной конвекцией. С по­вышением степени интеграции и уменьшением размеров корпусов микросхем, а также с повышением рабочих частот вопросы отвода тепла от корпусов мик­росхем и из самого системного блока ставятся все острее, несмотря на успехи технологий, позволивших во много раз снизить мощности, рассеиваемые от­дельными элементами. В первую очередь проблемы охлаждения актуальны для процессоров, поэтому на этом вопросе остановимся подробнее.

Вопрос охлаждения процессора стал актуальным, начиная с моделей класса 486. Процессор 486SX-33 еще не требовал установки специального радиатора. Од­нако с повышением тактовой частоты мощность, рассеиваемая процессором, возрастает. Кроме того, потребляемая мощность зависит от интенсивности ра­боты процессора: разные инструкции задействуют различные части процессора, и при увеличении доли «энергоемких» инструкций мощность, рассеиваемая процессором, повышается. Существуют даже специальные тестовые программы для проверки теплового режима, способные перегреть процессор с недостаточ­ным охлаждением и довести его до сбоев и даже разрушения.

Для охлаждения процессоров применяют радиаторы (heat sink). Радиатор эф­фективно работает, только если обеспечивается его плотное прилегание к верх­ней стороне корпуса процессора (даже тонкий воздушный зазор значительно снижает теплопроводность). Весьма эффективно использование теплопровод­ной мастики, которую наносят тонким слоем на корпус процессора, после чего радиатор «притирают» к процессору. Хорошие результаты дает и приклеивание радиатора к процессору двусторонней «самоклейкой» — но только специально предназначенной для этих целей, поскольку обычные «липучки» нетермостой­ки и имеют большое тепловое сопротивление. Когда пассивного теплоотвода, обеспечиваемого радиатором, рассчитанным на естественную циркуляцию воз­духа внутри корпуса компьютера, оказывается недостаточно, применяют ак­тивные теплоотводы (Cooler, Fan). Они имеют вентиляторы, устанавливаемые на радиатор процессора или на сам процессор. Вентиляторы обычно являются съемными устройствами, питающимися от источника +12 В через специальный переходной разъем. Размеры (габаритные и установочные) вентиляторов и ра­диаторов для процессоров 486, Pentium (они разные для процессоров 60-66, 75-180 и 200-233 МГц), Pentium Pro, Pentium II/III, Celeron различаются -чем новее процессор, тем больше радиатор и вентилятор. Процессор Pentium 4 только подтверждает это правило.

Для особо горячих процессоров (в основном для их разгона) применяют и по­лупроводниковые холодильники на модулях, использующих эффект Пельтье. Холодильник Пельтье работает тепловым насосом: он отбирает тепло с одной стороны модуля и выделяет его на другой стороне, обеспечивая разность темпе­ратур до нескольких десятков градусов. При этом он и сам потребляет значи­тельную мощность, соизмеримую с потребляемой мощностью охлаждаемого элемента (то есть десятки ватт), и выделяет ее в виде тепла. Таким образом, вентилятор, обдувающий радиатор холодильника Пельтье, должен выносить из корпуса компьютера значительно больше тепла, чем выделяет сам процессор. Это является расплатой за возможность охлаждения отдельных элементов до температуры, меньшей, чем температура окружающего воздуха. Здесь имеются и побочные эффекты — на холодной части может конденсироваться влага, что чревато утечками тока (замыканием проводников). Холодильник питается либо от общего блока питания компьютера (по линии +5 В), либо от отдельного источника питания. Холодильник может быть управляемым и неуправляемым: в управляемом холодильнике имеется термодатчик, который включает холо­дильник лишь при определенном пороге температуры охлаждающей стороны; неуправляемый холодильник может заморозить процессор (до зависания) при переходе процессора в энергосберегающий режим. Отключенный (вышедший из строя) холодильник представляет собой теплоизолятор, под которым про­цессор, работающий на полной мощности, может сгореть. Цена холодильника зависит от его мощности и составляет несколько десятков долларов.

Применяют и системы водяного охлаждения: один радиатор с каналами для циркуляции воды устанавливается на процессор. Он парой гибких трубок со­единяется с другим, более крупным радиатором, который может быть вынесен из корпуса компьютера. В комплект входит насос, обеспечивающий циркуля­цию воды, и большой вентилятор, обдувающий выносной радиатор. Цена тако­го комплекта соизмерима с ценой процессора.

Стандарт конструктива АТХ предусматривает установку процессора прямо под блоком питания, при этом для обдува радиатора могут использоваться: внут­ренний вентилятор блока питания, дополнительный внешний вентилятор, уста­навливаемый снаружи блока питания, вентилятор процессора. Теоретически все они должны работать согласованно — на обдув воздухом радиатора процес­сора. В противном случае их суммарная эффективность падает. При наличии большого радиатора в корпусе АТХ можно обойтись и без отдельного вентиля­тора на процессоре.

Процессоры Р6 имеют внутренний датчик температуры, аварийно останавли­вающий процессор в случае перегрева. Для измерения температуры процессоры Р6 имеют термодиод, его анод и катод выведены на контакты процессора.

В процессоре Хеоп к термодиоду подключен встроенный электронный термо­метр, который при перегреве вырабатывает сигнал, используемый для генера­ции прерывания.

Вентиляторы современных процессоров могут иметь датчик вращения, выраба­тывающий пару импульсов за один оборот. Сигнал датчика выведен на разъем питания вентилятора, обработка сигнала возлагается на компоненты системной платы. Системная плата со встроенными средствами мониторинга позволяет программно измерять температуру процессора (по термодиоду), частоту враще­ния вентиляторов, а в критической ситуации вырабатывать прерывание для оповещения ОС и пользователя.

Большинство современных процессоров допускают температуру до +85 °С (Pen­tium — до +70 °С). Температура измеряется в центре верхней стороны корпуса процессора (не радиатора!) в установившемся рабочем режиме. Процессоры для мобильных применений обычно имеют меньшую потребляемую мощность и более высокую допустимую температуру корпуса. Существуют специаль­ные исполнения процессоров, допускающие расширенный температурный диапазон. Они, естественно, дороже обычных и в PC применяются довольно редко.

Остальные компоненты, требующие отвода тепла, охлаждаются аналогично про­цессорам — радиаторами, вентиляторами, а то и холодильниками Пельтье. Об­щие соображения по тепловому режиму системного блока довольно просты:

♦ С помощью просторного системного блока проще обеспечить нормальный
режим охлаждения всех компонентов.

♦ На пути воздушных потоков не должно быть препятствий в виде непроходи­
мых «джунглей» проводов и шлейфов. Вентиляционные отверстия в корпу­
се не должны быть перекрыты.

♦ Два и более вентиляторов, гонящих воздух по одному лути, должны рабо­
тать согласованно (не гнать воздух навстречу друг другу).

♦ Сильно нагревающиеся компоненты следует по возможности отдалять от
других, особенно от чувствительных к нагреву.

♦ Периодически следует чистить компьютер — пыль, оседающая на компонен­
тах (в том числе радиаторах), препятствует их охлаждению. Нельзя допус­
кать попадания посторонних предметов (обрывков бумаги, а также проводов
и шлейфов) в лопасти вентиляторов.

Системная плата может иметь входы для подключения датчиков температуры, датчик на гибком кабеле должен входить в комплект поставки платы. Устано­вив датчик на критичном устройстве (винчестере, графической карте), можно наблюдать за его температурой с помощью утилиты CMOS Setup или специ­альной загружаемой утилиты. Если позволяет ПО, то можно настроить и порог предупреждения о критической температуре.

Вентилятор как электромеханическое устройство имеет принципиально мень­шую надежность (срок жизни), чем процессор и другие электронные компоненты. С вентиляторами могут быть связаны неприятности разной степени тяжести — от повышенного шума при работе до отказа (остановки). От повышенного шума помогает периодическая смазка оси вентилятора. Для смазки вентилятор приходится снимать с радиатора (или корпуса блока питания) и открывать место смазки подшипника, закрытое наклейкой-шильдиком. Смазывать под­шипник можно обычным машинным маслом (жидким). Для чистки вала и под­шипников приходится еще и снимать ротор, для чего необходимо снять фикси­рующую шайбу, находящуюся под той же наклейкой. Снизить шум от вибрации вентилятора можно смягчением его крепления — установкой демпфирующих шайб и другими «домашними» методами. Вентилятор на пониженных оборотах шумит меньше (но и дует слабее) — на этом основано «интеллектуальное» управление (fan processing), реализуемое довольно простыми средствами. Час­той причиной остановки вентилятора является касание лопастями вентилятора внутренних соединительных проводов (интерфейсных шлейфов дисков и кабе­лей для подключения кнопок и индикаторов лицевой панели). Поэтому реко­мендуется после сборки компьютера подвязывать провода к шасси корпуса — целее будут и вентилятор, и провода. Существуют вентиляторы с сигнализаци­ей о неисправности: они имеют датчик вращения и простенькую вмонтирован­ную плату электроники. Эта плата включается между разъемом стандартного динамика PC и самим динамиком. При остановке вентилятора динамик начи­нает пищать. Признаком наличия такого устройства является характерная «ме­лодия», звучащая при включении питания (ее невозможно спутать с одното­нальными «писками» диагностического теста POST).

Современные вентиляторы, используемые для охлаждения блоков питания, процессоров и других компонентов, способны работать в системах автоматиче­ского управления. Для этого они снабжаются тахометрическими датчиками (для обратной связи) и управляющим входом. Сигналы управления и обратной связи выводятся на стандартные разъемы вентиляторов, которые могут быть трех- или четырехконтактными (рис. 3.9).

Сигнал Sense — выход типа «открытый коллектор» от тахометрического датчи­ка вентилятора, вырабатывающего два импульса на каждый оборот ротора. Этот сигнал на системной плате должен быть «подтянут» к цепи +12 В. С помо­щью данного сигнала можно определять остановку вентилятора, а также изме­рять скорость вращения.

Сигнал Control — входной с уровнем ТТЛ, на который подаются импульсы с частотой 25 кГц (допустимо 21-28 кГц). Скорость вращения вентилятора определяется относительной длительностью импульса, которая может составлять от 20 до 100 % периода. При минимальной длительности (20 %) скорость вентиля­тора не должна превышать 30 % полной скорости, которая достигается при дли­тельности в 100 %. При малой длительности поведение вентилятора может быть различным: он может сохранять минимальную скорость при уменьшении длительности вплоть до нулевой, а может и останавливаться при каком-то по­роговом значении.

В интерфейсе блоков питания АТХ первых версий фигурирует дополнитель­ный разъем (в последующих версиях его изъяли), на котором присутствуют сигналы вентилятора:

♦ FanM — выход типа «открытый коллектор» от тахометрического датчика вен­
тилятора блока питания, вырабатывающего два импульса на каждый оборот
ротора;

♦ Fan С — вход для управления скоростью вентилятора путем подачи напряже­
ния в диапазоне от 0 до +12 В при токе до 20 мА. Если уровень напряжения
выше +10,5 В, вентилятор работает на максимальной скорости. Уровень
ниже +1 В означает запрос от системной платы на остановку вентилятора.
Промежуточные значения уровня позволяют плавно регулировать скорость.
Внутри блока питания сигнал FanC подтягивается к уровню +12 В, так что
если дополнительный разъем оставить неподключенным, вентилятор будет
всегда работать на максимальной скорости.

3.5. Общие вопросы электропитания и заземления

Рассмотрим правила подключения к питающей сети с точки зрения безопасно­сти человека и компьютера.

Практически каждый блок питания компьютера или периферийного устрой­ства имеет сетевой фильтр (рис. 3.10). Конденсаторы этого фильтра предназна­чены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю че­рез провод защитного заземления и соответствующие трехполюсные вилку и розетку. «Земляной» провод соединяют с контуром заземления, но допустимо его соединять и с «нулем» силовой сети (разница ощущается только в особо тя­желых условиях эксплуатации). При занулении необходимо удостовериться в том, что «нуль» не станет фазой, если кто-нибудь вдруг перевернет вилку пи­тания. Если же «земляной» провод устройства никуда не подключать, на корпу­се устройства появляется напряжение порядка ПО В переменного тока (рис. 3.11): конденсаторы фильтра работают как емкостной делитель напряже­ния, и поскольку их емкость одинакова, 220 В делится пополам.

Конечно, мощность этого «источника» ограничена — ток короткого замыкания IKi з. на «землю» составляет доли миллиампера, причем чем мощнее блок пита­ния, тем больше емкость конденсаторов фильтра. При емкости конденсато­ра С - 0,01 мкФ этот ток будет около 0,7 мА. Заметим, что здесь мы учитываем лишь частоту питающей сети. Для высокочастотных (импульсных) помех, приходящих как по сети, так и от входного преобразователя блока питания, те же конденсаторы дают во много раз меньшее сопротивление, и ток короткого за­мыкания может многократно возрастать.

Такие напряжение и ток опасны для человека. Попасть под напряжение можно, прикоснувшись одновременно к неокрашенным металлическим частям корпуса компьютера и, например, к батарее отопления. Это напряжение является одним из источников разности потенциалов между устройствами, от которой страда­ют интерфейсные схемы.

Посмотрим, что происходит при соединении двух устройств (компьютера и прин­тера) интерфейсным кабелем. Общий провод интерфейсов последовательных и параллельных портов связан со «схемной землей» и корпусом устройства. Если соединяемые устройства надежно заземлены (занулены) через отдельный провод на общий контур, проблемы разности потенциалов не возникает. Если же в качестве заземляющего провода использовать нулевой провод питания при разводке питающей сети с трехполюсными розетками двухпроводным ка­белем, на нем будет набегать разность потенциалов, вызванная падением напря­жения от протекающего силового тока. Если в эти же розетки включать устройства с большим энергопотреблением, разность потенциалов и импульсные помехи при включении-выключении оказываются ощутимыми. Поскольку обычно со­противление интерфейсного кабеля больше питающего, через общий провод интерфейса потечет ток, существенно меньший, чем силовой. Но при наруше­нии контакта в нулевом проводе питания через интерфейсный провод может протекать и весь ток, потребляемый устройством. Он может достигать несколь­ких ампер, что влечет за собой выход устройств из строя. Невыровненные потен­циалы корпусов устройств являются также источником помех в интерфейсах.

Если оба соединяемых устройства не заземлены, в случае их питания от одной фазы сети разность потенциалов между ними оказывается небольшой (вызван­ной разбросом емкостей конденсаторов в разных фильтрах). Если незаземлен-ные устройства подключены к разным фазам, разность потенциалов между их несоединенными корпусами будет порядка 190 В, при этом уравнивающий ток через интерфейс может достигать десятка миллиампер. Когда все соедине­ния/разъединения выполняются при отключенном питании, для интерфейсных схем такая ситуация почти безопасна. Но в случае коммутации при включен­ном питании возможны неприятности: если контакты общего провода интер­фейса соединяются позже (разъединяются раньше) сигнальных, разность по­тенциалов между «схемными землями» прикладывается к сигнальным цепям и они выгорают. Самый тяжелый случай — соединение заземленного устройст­ва с незаземленным, особенно когда у последнего мощный блок питания.

Для устройств, блоки питания которых имеют шнуры с двухполюсной вилкой, эти проблемы тоже актуальны. Такие блоки питания зачастую имеют сетевой фильтр, но с конденсаторами малой емкости (ток короткого замыкания довольно мал).

Весьма коварны сетевые шнуры компьютеров с двухполюсной вилкой, которы­ми подключаются блоки питания с трехполюсным разъемом. Пользователи, подключающие свои компьютеры в бытовые розетки, могут столкнуться с про­блемами из-за отсутствия заземления.

Локально проблемы заземления решает применение сетевых фильтров типа «Pilot» и им подобных. Питание от одного фильтра всех устройств, соединяе­мых интерфейсами, решает проблему разности потенциалов. Еще лучше, когда этот фильтр включен в трехполюсную розетку с заземлением (занулением). Од­нако заземляющие контакты (обжимающие «усики») многих розеток могут не­плотно соприкасаться с вилкой вследствие своей слабой упругости или заусениц в пластмассовом кожухе. Кроме того, эти контакты не любят частых вынимания и вставки вилок, так что обесточивание оборудования по окончании работы лучше выполнять выключателем питания фильтра (предварительно выключив устрой­ства).

ВНИМАНИЕ-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Настоятельно рекомендуется отключать питание при подключении и отключении интерфейсных кабелей. Небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении устройств общими проводами интерфейсов, может про­бить входные и выходные цепи сигнальных линий, если в момент присоединения разъема контакты общего провода соединятся позже сигнальных. От такой после­довательности обычные разъемы не страхуют.

К помехам, вызванным разностью потенциалов «схемных земель» (корпусов) устройств, наиболее чувствительны параллельные порты. У последовательных портов зона нечувствительности шире (пороги ±3 В); еще меньшую чувстви­тельность имеют интерфейсы локальных сетей, где обычно присутствует галь­ваническая развязка сигнальных цепей от схемной земли с допустимым напря­жением изоляции порядка 1000 В.

Правила заземления в документации к импортной аппаратуре приводятся не всегда, поскольку подразумевается, что трехполюсная вилка всегда должна включаться в соответствующую розетку с заземлением, а не в двухполюсную с рассверленными отверстиями. В нашей стране распространены так называе­мые «евророзетки» (трехполюсные). Для заземления, как правило, используют­ся контакты-усики, а не центральный заземляющий штырь.

Проблемы разводки электропитания и заземления стоят особенно остро в ло­кальных сетях, поскольку здесь, как правило, имеется большое количество уст­ройств (компьютеров и коммуникационного оборудования), соединенных меж­ду собой интерфейсными кабелями и значительно разнесенных в пространстве (локальная сеть может охватывать и многоэтажное здание). Подробнее о реше­нии проблем питания и заземления в сетях см. в [4]. Там же приведены и более подробные пояснения и оценки разностей потенциалов и уравнивающих токов.

Поиск по сайту: