Refrigeración eficiente de un ordenador

No es el hallazgo del año mencionar que alrededor de todo el planeta una enorme cantidad de personas consideran su ordenador personal como una parte muy importante de su vida. A medida que los ordenadores se construyen más potentes y más rápidos necesitan más energía para operar. Una cantidad importante de esta energía absorbida desde la red domiciliaria, que no es aprovechada, se disipa en forma de calor y debemos arbitrar los medios para mantener siempre “frescos” a nuestros equipos. La refrigeración de un ordenador y el consumo energético van de la mano. Es decir, con menos consumo energético los dispositivos trabajarán a menor temperatura. He aquí un sencillo análisis acerca de uno de los métodos de refrigeración más eficientes y utilizados por los constructores. Entérate

La velocidad de proceso de los circuitos integrados actuales (los que intervienen en el corazón de un ordenador (CPU)) favorecen la utilización de enormes cantidades de energía que, no sólo se utilizan para realizar los procesos necesarios para un funcionamiento correcto sino que además, una gran parte (de esa energía) se convierte en calor irradiado al exterior. Todos sabemos que el calor es uno de los grandes enemigos de la electrónica y su funcionamiento estable. Los componentes o dispositivos involucrados en todas las computadoras necesitan un método de refrigeración acorde a sus exigencias de trabajo.

Refrigeración eficiente de un ordenador

Desde que existen los ordenadores se aplican infinitas formas de refrigeración a las unidades de proceso, transferencia y almacenamiento dinámico de datos, intentando reducir su temperatura de trabajo para favorecer un funcionamiento estable y correcto.  Algunos son baratos, otros son costosos, algunos son eficientes y otros tienen las mejores posibilidades de disipar grandes cantidades de calor. Por supuesto, nunca faltan los exagerados, ostentosos, grandiosos y con una relación costo / eficiencia pésima. Pero en este artículo no vamos a hablar de cuáles son los mejores y cuáles son los peores. Es más; si tú lo haces en los comentarios es porque no has leído el artículo o porque no has entendido el espíritu del mismo. Entre todos los métodos de refrigeración, encontramos dos que se basan en la utilización del aire para lograr el efecto deseado. Se los conoce como pasivos o activos y la diferencia entre ellos es que el primero no requiere el uso de energía para funcionar, mientras que el segundo la necesita para activar los ventiladores / sopladores o coolers que impulsarán el aire hacia los circuitos integrados generando el intercambio de calor que facilitará su refrigeración.

¿Por qué debemos controlar la velocidad de los ventiladores?

El control de velocidad de un motor ventilador significa un costo “extra” para el producto final a la vez que también genera un consumo energético. Pequeño, pero consumo al fin. Por lo tanto, debe haber muy buenas razones para que los fabricantes de placas para ordenadores utilicen estas técnicas de control de velocidad de los ventiladores de refrigeración. De hecho, aquí vamos a ver algunas de las técnicas utilizadas para realizar esa tarea y los beneficios que ellas acarrean:

Disminuyendo las revoluciones del ventilador, disminuye el ruido.

Una masa de aire en movimiento dentro de un lugar cerrado, como es el gabinete de un ordenador, quiérase o no causará ruido. Cuanto mayor sea la velocidad de giro de las paletas del ventilador y el volumen del aire en movimiento, más importante será el ruido. La mayoría de las veces, el caudal de aire que es movilizado dentro de un gabinete con el fin de mantener baja la temperatura en su interior, es más de lo necesario. Ya sea porque hay muchos ventiladores, o porque el aire, externo e interno, está fresco. Además, la geometría de las aletas provocará ondas acústicas al golpear contra el aire para ponerlo en circulación. Por lo tanto, al reducir la velocidad de los ventiladores, tanto como sea posible, el ruido generado también se reducirá drásticamente.

Reducción del consumo de potencia del ventilador

Todos los circuitos electrónicos, para funcionar, consumen energía eléctrica. Los transistores o los circuitos integrados necesitan este vital elemento para operar y actuar según los deseos de cualquier diseñador. Un PIC, por ejemplo, consume sólo 180 uA. Un controlador de PWM sin demasiadas exigencias y realizado con un temporizador 555 puede absorber cerca de 30 miliamperes. Eso sumaría una potencia de 150 miliWatts. Un ventilador (cooler) típico de 300 miliamperes consume 3,6 Watts (3600 mW). La potencia 150 miliwatts mencionada antes es un consumo casi despreciable si lo comparamos respecto a la potencia nominal de un soplador convencional. Por lo tanto, si reducimos el nivel de consumo de un ventilador a valores cercanos a la mitad (o menos de ello) reduciríamos el consumo energético del equipo y esto para un ordenador portátil es muy importante.

Mayor vida útil y mayor fiabilidad del ventilador

Cualquier ventilador de bajo (o intermedio) coste tiene cojinetes de fricción en los extremos del eje donde se soporta la parte móvil, también llamada rotor. Los más caros y elaborados poseen rodamientos pero su utilización es muy rara en productos de consumo masivo. La fricción continua a la que se exponen los cojinetes de cobre de los extremos será lenta y constante provocando en ellos un desgaste progresivo. Esto, naturalmente, llevará (tarde o temprano) al final del ciclo de vida del ventilador. Al girar el rotor del ventilador en forma más lenta, la fricción y en consecuencia el calor generado por este rozamiento se reducen, por lo tanto la vida útil y la fiabilidad del ventilador se incrementa notablemente.

¿Cuántos tipos de ventiladores para ordenador hay en el mercado?

Existen 3 tipos de ventiladores muy definidos:

Los ventiladores de 2 cables de conexión
Este es el modelo más simple y popular que encontramos en la actualidad. Sólo tiene una posibilidad: girar en un único sentido (indicado en su cuerpo) y generar un flujo de aire “satisfactorio”. Los únicos cables existentes se utilizan para alimentar el motor sin escobillas de este ventilador (brushless).

Los ventiladores de 3 cables de conexión

Este tipo de ventilador es algo más elaborado que el modelo anterior y proporciona (devuelve) una información fundamental: informa sobre la cantidad de RPM que alcanza el motor. El cable extra que estos ventiladores poseen es (explicado en forma sencilla) la salida de un sensor de efecto Hall y por cada vuelta del rotor, este cable nos devolverá una cantidad de pulsos coincidentes y proporcionales a la cantidad de vueltas por minuto que alcance el rotor. Por lo tanto, el controlador del ventilador puede leer la velocidad y de este modo se puede saber si el ventilador está funcionando demasiado lento o si está estancado y detenido en forma directa. La señal del tercer cable siempre se refiere a una señal de tacómetro.

Los ventiladores de 4 cables de conexión
Este es el último, y por lo general, más caro de los ventiladores disponibles en cualquier tienda del mercado. Los primeros 3 cables tiene la misma funcionalidad que el ventilador de 3 cables mencionado en el párrafo anterior. El cuarto cable es de control de volocidad. Estos ventiladores son a menudo llamados “ventiladores PWM” porque incorporan un transistor MOSFET, y este cuarto cable de control está conectado a la puerta (Gate) del MOSFET. Estos ventiladores están diseñados para ser controlados con pulsos PWM y aunque a todos los ventiladores puedes controlarles su velocidad con circuitos PWM, los ventiladores de 4 cables traen incorporados todos los circuitos necesarios para un funcionamiento óptimo. No debes realizar circuitos externos. Alimentación, Control y Realimentación. Todo en uno y esa es una de sus ventajas, la otra es su estupenda calidad constructiva.

¿Cómo puedes controlar la velocidad de un ventilador para el ordenador?

Todos los ventiladores de un ordenador utilizan motores de corriente continua sin escobillas para operar (brushless). Estos motores se pueden controlar fácilmente de varias maneras:

Control fijo de velocidad
Esta es la forma más fácil de controlar un ventilador: Alimentando el ventilador con el voltaje reducido respecto al nominal de trabajo. Un motor sin escobillas, cuando se enciende con un voltaje reducido, girará más lento. Este circuito puede ser tan simple como colocar una resistencia en serie con el positivo de alimentación del ventilador, o puede ser más complicado, mediante el uso de un regulador de voltaje, como un 7806. Usando este método, el ventilador siempre tendrá una baja velocidad fija. La eficiencia del circuito tiene que ver sólo con la forma en que la tensión se reduce.

Alimentación compartida y/o selectiva
Una variación de la categoría anterior es el control de velocidad escalonada. En lugar de utilizar un reductor de tensión activo o una resistencia para provocar la caída de tensión, por ejemplo, hasta 6 voltios, si conectamos dos ventiladores en serie lograríamos el mismo resultado. Cada uno provocará una caída de tensión y de este modo obtendrás una menor velocidad y un funcionamiento muy silencioso. Un interruptor se puede utilizar para seleccionar diferentes puntos de velocidad para aquellos casos en que la potencia del ventilador principal deba ser incrementada. Es decir, realizando un puente en uno de los ventiladores aplicaremos la máxima potencia a otro (seleccionado en forma especial) para incrementar su rendimiento temporal.

Control de encendido / apagado
Para este tipo de control utilizaremos un termostato o cualquier circuito activado por un PIC o un NTC. Es decir, no lo hacemos con una llave manual y activada por nosotros sino que pasamos a utilizar una activación automática cuando las temperaturas superan un nivel crítico o pre-establecido por nosotros. En estos casos, también podemos controlar la velocidad del motor a través de una alimentación por PWM que será proporcional a la temperatura alcanzada en el punto que deseamos refrigerar. Si es necesario, la velocidad será máxima por algún tiempo para luego disminuir y en consecuencia reducir el consumo energético y el ruido generado.

Controladores lineales de velocidad
A pesar de ser circuitos poco eficientes a bajas velocidades, los ventiladores con controladores lineales de velocidad pueden adaptar su régimen de trabajo según las necesidades térmicas de los circuitos que deban controlar. Estos controladores son activados por el usuario mediante potenciómetros o controles de nivel que permiten variar la velocidad de manera lineal superando en prestaciones a los ventiladores de activación y velocidad fija.

Resumiendo

Existen infinitas maneras de refrigerar un sistema de cómputo. La más utilizada por los constructores de hardware ha sido y es en la actualidad el empleo de sopladores o coolers. Su relación costo/beneficio ha sido la llave para perdurar desde el inicio de los ordenadores hasta la actualidad.