Ventilador en miniatura utilizado en una computadora para enfriamiento activo
Un ventilador de computadora es cualquier ventilador dentro o conectado a una caja de computadora que se utiliza para refrigeración activa . Los ventiladores se utilizan para atraer aire más frío hacia la caja desde el exterior, expulsar aire caliente desde el interior y mover el aire a través de un disipador de calor para enfriar un componente en particular. En las computadoras se utilizan ventiladores axiales y, a veces, centrífugos (soplador/jaula de ardilla). Los ventiladores de computadora suelen venir en tamaños estándar, como 92 mm, 120 mm (el más común), 140 mm e incluso 200-220 mm. Los ventiladores de computadora se alimentan y controlan mediante conectores de ventilador de 3 o 4 pines .
Uso de un ventilador de refrigeración
Mientras que en los primeros ordenadores personales era posible enfriar la mayoría de los componentes mediante convección natural ( refrigeración pasiva ), muchos componentes modernos requieren una refrigeración activa más eficaz. Para enfriar estos componentes, se utilizan ventiladores para alejar el aire caliente de los componentes y atraer aire más frío sobre ellos. Los ventiladores conectados a los componentes se utilizan normalmente en combinación con un disipador de calor para aumentar el área de la superficie calentada en contacto con el aire, mejorando así la eficiencia de la refrigeración. El control de los ventiladores no siempre es un proceso automático. El BIOS de un ordenador puede controlar la velocidad del sistema de ventiladores integrado en el ordenador. Un usuario puede incluso complementar esta función con componentes de refrigeración adicionales o conectar un controlador de ventilador manual con perillas que ajusten los ventiladores a diferentes velocidades. [1]
En el mercado de los equipos compatibles con IBM PC , la fuente de alimentación (PSU) de la computadora casi siempre utiliza un ventilador de extracción para expulsar el aire caliente de la PSU. La refrigeración activa en las CPU comenzó a aparecer en el Intel 80486 y, en 1997, era estándar en todos los procesadores de escritorio. [2] Los ventiladores de chasis o caja, generalmente un ventilador de extracción para expulsar el aire caliente desde la parte trasera y, opcionalmente, un ventilador de entrada para atraer aire más frío por la parte delantera, se volvieron comunes con la llegada del Pentium 4 a fines de 2000. [2]
Aplicaciones
Ventilador de caja
Los ventiladores se utilizan para mover el aire a través de la carcasa de la computadora. Los componentes dentro de la carcasa no pueden disipar el calor de manera eficiente si el aire circundante es demasiado caliente. Los ventiladores de la carcasa se pueden colocar como ventiladores de entrada , que aspiran el aire exterior más frío a través de la parte delantera o inferior del chasis (donde también puede pasar por los bastidores de los discos duros internos), o ventiladores de extracción , que expulsan el aire caliente por la parte superior o trasera. Algunas carcasas de torre ATX tienen una o más rejillas de ventilación y puntos de montaje adicionales en el panel lateral izquierdo donde se pueden instalar uno o más ventiladores para soplar aire frío directamente sobre los componentes de la placa base y las tarjetas de expansión, que se encuentran entre las mayores fuentes de calor.
Los ventiladores axiales estándar para cajas tienen 40, 60, 80, 92, 120, 140, 200 y 220 mm de ancho y largo. Como los ventiladores para cajas suelen ser la forma de refrigeración más visible en una PC, los ventiladores decorativos están ampliamente disponibles y pueden estar iluminados con LED , hechos de plástico reactivo a los rayos UV y/o cubiertos con rejillas decorativas. Los ventiladores y accesorios decorativos son populares entre los modders de cajas . Los filtros de aire se utilizan a menudo sobre los ventiladores de entrada, para evitar que el polvo entre en la caja y obstruya los componentes internos. Los disipadores de calor son especialmente vulnerables a obstruirse, ya que el efecto aislante del polvo degradará rápidamente la capacidad del disipador de calor para disipar el calor.
Ventilador de fuente de alimentación
Si bien la fuente de alimentación (PSU) contiene un ventilador, con pocas excepciones, no se debe utilizar para ventilar la caja. Cuanto más caliente esté el aire de entrada de la PSU, más se calentará la PSU. A medida que aumenta la temperatura de la PSU, disminuye la conductividad de sus componentes internos. Una conductividad reducida significa que la PSU convertirá más energía eléctrica de entrada en energía térmica (calor). Este ciclo de aumento de temperatura y disminución de la eficiencia continúa hasta que la PSU se sobrecaliente o su ventilador de refrigeración gire lo suficientemente rápido como para mantener la PSU adecuadamente abastecida con aire comparativamente frío. La PSU se monta principalmente en la parte inferior en las PC modernas, y tiene sus propias rejillas de entrada y salida dedicadas, preferiblemente con un filtro de polvo en su rejilla de entrada.
Ventilador de CPU
Se utiliza para enfriar el disipador de calor de la CPU (unidad central de procesamiento). Para enfriar eficazmente una fuente de calor concentrada, como un circuito integrado de gran escala, se necesita un disipador de calor, que puede enfriarse mediante un ventilador; [3] el uso de un ventilador por sí solo no evitará el sobrecalentamiento del chip pequeño.
Ventilador de la tarjeta gráfica
Se utilizan para enfriar el disipador de calor de la unidad de procesamiento gráfico o la memoria en las tarjetas gráficas . Estos ventiladores no eran necesarios en las tarjetas más antiguas debido a su baja disipación de energía, pero la mayoría de las tarjetas gráficas modernas diseñadas para gráficos 3D y juegos necesitan sus propios ventiladores de refrigeración dedicados. Algunas de las tarjetas de mayor potencia pueden producir más calor que la CPU (disipando hasta 350 vatios [4] ), por lo que una refrigeración eficaz es especialmente importante. Desde 2010, se han lanzado tarjetas gráficas con ventiladores axiales o un ventilador centrífugo también conocido como soplador, turbo o ventilador de jaula de ardilla.
Ventilador del chipset
Se utiliza para enfriar el disipador de calor del puente norte del chipset de una placa base ; esto puede ser necesario cuando el bus del sistema está significativamente overclockeado y disipa más energía de lo habitual, pero puede ser innecesario en otros casos. A medida que se integran más funciones del chipset en la unidad central de procesamiento , se reduce el papel del chipset y también la generación de calor.
Refrigeración del disco duro
Se pueden montar ventiladores junto a la unidad de disco duro o sobre ella para enfriarla. Los discos duros pueden producir un calor considerable con el tiempo y son componentes sensibles al calor que no deberían funcionar a temperaturas excesivas. En muchas situaciones, la refrigeración por convección natural es suficiente, pero en algunos casos pueden ser necesarios ventiladores. Estos pueden incluir:
Discos duros que giran más rápido y generan más calor. (En 2011, había [actualizar]unidades menos costosas que giraban a velocidades de hasta 7200 RPM; había unidades de 10 000 y 15 000 RPM disponibles, pero generaban más calor).
Conjuntos de discos grandes o densos (incluidos los sistemas de servidores donde los discos suelen estar montados de forma densa)
Cualquier disco que, debido a la carcasa u otra ubicación en la que esté montado, no se pueda enfriar fácilmente sin aire ventilado.
Con menor frecuencia, los ventiladores se utilizan para otros fines, como:
El radiador de refrigeración por agua transfiere mucho calor y los ventiladores del radiador tienen una gran presión estática (a diferencia de los ventiladores de la carcasa que tienen un alto flujo de aire) para disipar el calor.
Las computadoras portátiles no tienen aberturas grandes en la carcasa para que escape el aire caliente. La computadora portátil se puede colocar sobre un enfriador (algo así como una bandeja con ventiladores incorporados) para garantizar una refrigeración adecuada.
Algunas máquinas de alta gama (incluidos muchos servidores) o cuando se requiere confiabilidad adicional, otros chips como el controlador SATA / SAS , los controladores de red de alta velocidad ( Ethernet de 40 Gbps, Infiniband ), los conmutadores PCIe, las tarjetas de coprocesador (por ejemplo, algunos Xeon Phi), algunos chips FPGA , los puentes sur también se enfrían activamente con un disipador de calor y un ventilador dedicado. Estos pueden estar en una placa base principal o como una placa complementaria separada, a menudo a través de una tarjeta PCIe.
Ventilador de ranura de expansión : un ventilador montado en una de las ranuras PCI o PCI Express , generalmente para proporcionar refrigeración adicional a las tarjetas gráficas o a las tarjetas de expansión en general.
Ventilador de la unidad óptica : algunas grabadoras de CD y/o DVD internas incluían ventiladores de refrigeración.
Ventilador de memoria : la memoria de computadora moderna puede generar suficiente calor como para que sea necesario un enfriamiento activo, generalmente en forma de pequeños ventiladores ubicados sobre los chips de memoria. Esto se aplica especialmente cuando la memoria está overclockeada o sobrevoltada , [5] o cuando los módulos de memoria incluyen lógica activa, como cuando un sistema usa DIMM con búfer completo (FB-DIMM). [6] Sin embargo, con voltajes más bajos más nuevos en uso, como DDR4 de 1.2v , esto es menos comúnmente necesario de lo que solía ser el caso. [ cita requerida ] La mayoría de las veces, los módulos de memoria, ubicados cerca de la CPU, recibirán suficiente flujo de aire del gabinete o del ventilador de la CPU, incluso si el aire del ventilador y el radiador de la CPU está caliente. Si la CPU principal está enfriada por agua, esta pequeña cantidad de flujo de aire puede faltar y se requiere un cuidado adicional sobre algún flujo de aire en un gabinete o un enfriamiento de memoria dedicado. Desafortunadamente, la mayoría de los módulos de memoria no brindan monitoreo de temperatura para medirla fácilmente.
Los reguladores de voltaje de alta potencia (VRM) que a menudo utilizan fuentes de alimentación conmutadas generan algo de calor debido a pérdidas de potencia, principalmente en el MOSFET de potencia y en un inductor (choke). Estos, especialmente en situaciones de overclocking, requieren un ventilador de refrigeración activo junto con un disipador de calor. La mayoría de los MOSFET funcionarán correctamente a temperaturas muy altas, pero su eficiencia se reducirá y su vida útil será potencialmente limitada. La proximidad de los condensadores electrolíticos a una fuente de calor reducirá considerablemente su vida útil y terminará en pérdidas de potencia progresivamente mayores y una falla eventual (catastrófica). [ cita requerida ]
Características físicas
Debido a la baja presión y los flujos de aire de alto volumen que crean, la mayoría de los ventiladores utilizados en las computadoras son del tipo de flujo axial ; centrífugos y de flujo cruzado . [7] Dos especificaciones funcionales importantes son el flujo de aire que se puede mover, generalmente expresado en pies cúbicos por minuto (CFM), y la presión estática. [8] Expresado en decibeles, el valor del volumen del sonido también puede ser muy importante para las computadoras del hogar y la oficina; los ventiladores más grandes generalmente son más silenciosos para el mismo CFM.
Dimensiones
Las dimensiones y los orificios de montaje deben ser adecuados para el equipo que utiliza el ventilador. Normalmente se utilizan ventiladores con marco cuadrado, pero también se utilizan marcos redondos, a menudo para poder utilizar un ventilador más grande que el que permitirían los orificios de montaje (por ejemplo, un ventilador de 140 mm con orificios para las esquinas de un ventilador cuadrado de 120 mm). El ancho de los ventiladores cuadrados y el diámetro de los redondos se indican normalmente en milímetros. La dimensión indicada es el ancho exterior del ventilador, no la distancia entre los orificios de montaje. Los tamaños más habituales son 40 mm, 60 mm, 80 mm, 92 mm, 120 mm y 140 mm, aunque también están disponibles tamaños de 8 mm, [9] 17 mm, [10] 20 mm, [11 ] 25 mm , [ 12 ] 30 mm, [13] 35 mm, [14] 38 mm , [15 ] 45 mm, [ 16] 50 mm, [17] 70 mm, [18] 200 mm, 220 mm, [19] 250 mm [20] y 360 mm [21] . Las alturas o grosores suelen ser de 10 mm, 15 mm, 25 mm o 38 mm.
Por lo general, los ventiladores cuadrados de 120 mm y 140 mm se utilizan cuando los requisitos de refrigeración son exigentes, como en el caso de ordenadores que se utilizan para jugar y para un funcionamiento más silencioso a velocidades más bajas. Los ventiladores más grandes se suelen utilizar para refrigerar carcasas, CPU con disipadores de calor grandes y fuentes de alimentación ATX. Los ventiladores cuadrados de 80 mm y 92 mm se utilizan en aplicaciones menos exigentes o cuando los ventiladores más grandes no serían compatibles. Los ventiladores más pequeños se suelen utilizar para refrigerar CPU con disipadores de calor pequeños, fuentes de alimentación SFX, tarjetas gráficas, puentes norte, etc.
Velocidad de rotación
La velocidad de rotación (especificada en revoluciones por minuto , RPM) junto con la presión estática determinan el flujo de aire para un ventilador determinado. Cuando el ruido es un problema, los ventiladores más grandes y de giro más lento son más silenciosos que los ventiladores más pequeños y más rápidos que pueden mover el mismo flujo de aire. Se ha descubierto que el ruido del ventilador es aproximadamente proporcional a la quinta potencia de la velocidad del ventilador; reducir la velocidad a la mitad reduce el ruido en aproximadamente 15 dB . [22] Los ventiladores axiales pueden girar a velocidades de hasta aproximadamente 38.000 rpm para tamaños más pequeños. [23]
Los ventiladores pueden controlarse mediante sensores y circuitos que reducen su velocidad cuando la temperatura no es alta, lo que da como resultado un funcionamiento más silencioso, una vida útil más prolongada y un menor consumo de energía que los ventiladores de velocidad fija. La vida útil de los ventiladores generalmente se calcula suponiendo que funcionan a la velocidad máxima y a una temperatura ambiente fija.
Presión y caudal de aire
Un ventilador con alta presión estática es más eficaz para forzar el paso del aire a través de espacios restringidos, como los huecos entre un radiador o un disipador de calor; la presión estática es más importante que el flujo de aire en CFM al elegir un ventilador para su uso con un disipador de calor. La importancia relativa de la presión estática depende del grado en que el flujo de aire esté restringido por la geometría; la presión estática se vuelve más importante a medida que disminuye el espacio entre las aletas del disipador de calor. La presión estática suele expresarse en mm Hg o mm H 2 O.
Tipos de rodamientos
El tipo de cojinete que se utiliza en un ventilador puede afectar su rendimiento y el ruido que produce. La mayoría de los ventiladores de ordenador utilizan uno de los siguientes tipos de cojinetes:
Los cojinetes de manguito utilizan dos superficies lubricadas con aceite o grasa como contacto de fricción. A menudo utilizan manguitos sinterizados porosos para ser autolubricantes, lo que requiere solo un mantenimiento o reemplazo poco frecuente. Los cojinetes de manguito son menos duraderos a temperaturas más altas, ya que las superficies de contacto se desgastan y el lubricante se seca, lo que eventualmente conduce a una falla; sin embargo, la vida útil es similar a la de los tipos de cojinetes de bolas (generalmente un poco menos) a temperaturas ambientales relativamente bajas. [24] Los cojinetes de manguito pueden tener más probabilidades de fallar a temperaturas más altas y pueden funcionar mal cuando se montan en cualquier orientación que no sea vertical. La vida útil típica de un ventilador con cojinetes de manguito puede ser de alrededor de 30.000 horas a 50 °C (122 °F). Los ventiladores que utilizan cojinetes de manguito son generalmente más baratos que los ventiladores que utilizan cojinetes de bolas y son más silenciosos a velocidades más bajas al principio de su vida útil, pero pueden volverse ruidosos a medida que envejecen. [24]
Los cojinetes de fusil son similares a los cojinetes de manguito, pero son más silenciosos y tienen casi la misma vida útil que los cojinetes de bolas. El cojinete tiene una ranura en espiral que bombea fluido desde un depósito. Esto permite montarlos de forma segura con el eje en posición horizontal (a diferencia de los cojinetes de manguito), ya que el fluido que se bombea lubrica la parte superior del eje. [25] El bombeo también garantiza que haya suficiente lubricante en el eje, lo que reduce el ruido y aumenta la vida útil.
Los cojinetes de fluido (o "cojinetes fluidodinámicos", FDB) tienen las ventajas de un funcionamiento casi silencioso y una larga vida útil (aunque no más larga que los cojinetes de bolas), pero tienden a ser más caros.
Cojinetes de bolas : aunque generalmente son más caros que los cojinetes de fluido, los ventiladores con cojinetes de bolas no sufren las mismas limitaciones de orientación que los ventiladores con cojinetes de manguito, son más duraderos a temperaturas más altas y son más silenciosos que los ventiladores con cojinetes de manguito a velocidades de rotación más altas. La vida útil típica de un ventilador con cojinetes de bolas puede ser de más de 60 000 horas a 50 °C (122 °F). [24]
Se presume que los cojinetes de cerámica son más duraderos, ya que se basan en una cerámica estable que tiene resistencia al desgaste contra un eje de acero inoxidable.
Conectores
Los conectores que se suelen utilizar para los ventiladores de ordenador son los siguientes:
Conector Molex de tres pines de la familia KK
Este conector Molex se utiliza para conectar un ventilador a la placa base u otra placa de circuito. Es un conector hembra en línea rectangular, grueso y pequeño con dos pestañas polarizadoras en el borde más externo de un lado largo. Los pines son cuadrados y tienen un paso de 0,1 pulgadas (2,54 mm). Los tres pines se utilizan para tierra, alimentación de +12 V y una señal de tacómetro . El número de pieza Molex del receptáculo es 22-01-3037. El número de pieza Molex de los contactos de crimpado individuales es 08-50-0114 (estañado) o 08-55-0102 (semidorado). El número de pieza Molex del cabezal de PCB correspondiente es 22-23-2031 (estañado) o 22-11-2032 (dorado). También se requieren un pelacables y herramientas de crimpado correspondientes.
Conector Molex de cuatro pines de la familia KK
Esta es una variante especial del conector KK de Molex con cuatro pines pero con las características de bloqueo/polarización de un conector de tres pines. El pin adicional se utiliza para una señal de modulación por ancho de pulso (PWM) para proporcionar un control de velocidad variable. [26] Estos se pueden conectar a cabezales de 3 pines, pero perderán su control de velocidad del ventilador. El número de pieza de Molex del receptáculo es 47054-1000. El número de pieza de Molex de los contactos de engarce individuales es 08-50-0114. El número de pieza de Molex del cabezal es 47053-1000.
Conector Molex de cuatro pines
Este conector se utiliza para conectar el ventilador directamente a la fuente de alimentación. Consta de dos cables (amarillo/12 V y negro/tierra) que conducen a un conector Molex macho a hembra de cuatro pines en línea y se empalman en él. Los otros dos cables del conector proporcionan 5 V (rojo) y tierra (negro también), y no se utilizan en este caso. Este es el mismo conector que se utilizaba en los discos duros antes de que SATA se convirtiera en el estándar.
Conector Molex de tres pines de la familia PicoBlade
Este conector se utiliza con ventiladores de portátiles o cuando se conecta el ventilador a la tarjeta de vídeo.
Propiedad de Dell
Este conector patentado de Dell es una expansión de un conector IC hembra simple de tres pines, al agregar dos pestañas en el medio del conector en un lado y una pestaña de bloqueo en el otro lado. El tamaño y el espaciado de los conectores de pines son idénticos a los de un conector IC hembra de tres pines estándar y un conector Molex de tres pines. Algunos modelos tienen el cableado del cable blanco (sensor de velocidad) en el medio, mientras que el conector Molex estándar de 3 pines requiere el cable blanco como pin n.° 3, por lo que pueden existir problemas de compatibilidad.
Otros
Algunos ventiladores de computadora utilizan conectores de dos pines, de varios diseños.
Alternativas
Si no es conveniente instalar un ventilador, ya sea por cuestiones de ruido, fiabilidad o medioambientales, existen algunas alternativas. Se pueden lograr algunas mejoras eliminando todos los ventiladores de la fuente de alimentación, excepto uno, que también extrae el aire caliente de la carcasa. [27]
Los sistemas se pueden diseñar para utilizar únicamente refrigeración pasiva, lo que reduce el ruido y elimina las piezas móviles que pueden fallar. Esto se puede lograr de las siguientes maneras:
Refrigeración por convección natural : los disipadores de calor cuidadosamente diseñados, correctamente orientados y suficientemente grandes pueden disipar hasta 100 W solo por convección natural.
Tubos de calor para transferir el calor fuera de la caja.
La refrigeración líquida sumergible , que coloca la placa base en un fluido no conductor de electricidad, proporciona una excelente refrigeración por convección y protege de la humedad y el agua sin necesidad de disipadores de calor ni ventiladores. Se debe tener especial cuidado para garantizar la compatibilidad con los adhesivos y selladores utilizados en la placa base y los circuitos integrados. Esta solución se utiliza en algunos entornos externos, como equipos inalámbricos ubicados en la naturaleza. [ cita requerida ]
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Enlaces externos
Especificación de ventiladores controlados por PWM de 4 cables v1.3 – Intel
Conectores de ventilador de 3 y 4 cables – Intel
Distribución de pines de ventiladores de 3 y 4 cables – AllPinouts
Cómo funcionan los ventiladores de PC (2/3/4 cables) – PCB Heaven
Por qué y cómo controlar la velocidad de un ventilador (de 2, 3 o 4 cables) para enfriar equipos electrónicos – Analog Devices
Proyecto de controlador de ventilador PWM – Proyectos electrónicos de Alan