PWM vs. DC regulácia. Prečo ventilátorom sedia impulzy?

V čom je rozdiel medzi impulznou a lineárnou reguláciou? Zamerané na ventilátory

Pri podsvietení monitorov LCD sa jej vyhýbame ako čert krížu, ale najlepšie ventilátory si bez nej už nevieme predstaviť. Reč je o impulzne šírkovej modulácii na reguláciu napätia. V článku si pri najväčšej možnej jednoduchosti vysvetlíme, z akého dôvodu regulácia PWM postupne nahrádza lineárnu. Úzko s tým v počítačoch súvisí aj silný nepomer 3-pinových ventilátorov ku 4-pinovým, ktorých je podstatne viac.

K odpovedi na otázku z titulku sa budeme prepracovávať naprieč celý článkom. Jeho cieľom je, aby na koniec poznal odpoveď každý, aj keď teda väčšina našich čitateľov vie, čo je PWM regulácia a prečo je niekedy  vhodnejšia než lineárna.

V prvom rade je dobré si ozrejmiť, že nielen DC, ale aj PWM regulácia pracuje s napätím. Zdôrazňovať niečo takéto znie síce dosť absurdne, ale z niektorých interpretácií dostupných na internete môže človek nadobudnúť pocit, že PWM používa na napájanie niečo iné ako napätie. Narážam na časté spojenia a rozdeľovania týchto typov regulácie na „PWM a napäťovú“.

Elektrické napätie prirodzene používa aj PWM regulácia, ale s tým rozdielom, že oproti lineárnej (DC; direct current) je dávkované v impulzoch s rôznou šírkou. Inými slovami je napätie „prerušované“, ale pri veľmi vysokých frekvenciách, takže to koncovému zariadeniu obvykle nijako nevadí. Laicky by sa dalo povedať, že ventilátor je chvíľu napájaný a chvíľu nie je. To, koľko je pre neho k dispozícii energie vyjadruje pomer „napájame“ ku „nenapájame“ v rámci jedného cyklu. Dobre to ilustruje graf nižšie.

Jeden cyklus má vždy rovnakú šírku (to znamená, že trvá rovnaký čas, napríklad 4 ms) a vypĺňa ho medzera (0 V) a schodík (12 V). Čím užší je tento schodík a širšia medzera, tým nižšia je intenzita impulzov a tým menšie množstvo energie má ventilátor k dispozícii. Takže vrchný priebeh v grafe má intenzitu PWM 33 % a spodný 50 %. Prerušovaná vodorovná čiara potom znázorňuje, aké vysoké by bolo ekvivalentné stále napätie (DC). Zatiaľ čo pri PWM regulácii je napätie vždy stále, ale dávkované „po kvapkách“, tak pri lineárnej regulácii je možné si ho prispôsobiť, ale vždy to bude jednoliaty tok.

Otáčky pri 12 V sú príliš vysoké a hlučné? Tak napätie stiahneme na 5 V a už to môže byť v poriadku (dostatočne tiché). Naproti tomu pri PWM regulácii zúžime šírku impulzov, ktoré majú ale stále 12 V. Isteže, rôzne zariadenia používajú rôzne napätie pre impulzy, môže to byť 7, 5 alebo i 24 V, ale stále je to o tej hustote a striedaniu medzi dvoma stavmi. Sila impulzov pri počítačových ventilátoroch je obvykle 12 V, pretože majú 12-voltový motor.

A v čom je impulzná regulácia lepšia ako lineárna? Alebo vlastne ona ani vždy lepšia byť nemusí. S impulznou reguláciou sa začalo kedysi „špekulovať“ najmä pre nízku efektivitu lineárneho napájania. Všetky počítačové sú spínané, čiže impulzné, aj keď teda na výstupe majú už napätie lineárne. Takýto koncept generuje menej stratového tepla. To nás pri ventilátoroch, prirodzene trápiť nemusí, keďže ich prevádzková spotreba býva veľmi nízka a často sa nedostane ani jeden watt. Hlavný dôvod, prečo má drvivá väčšina počítačových ventilátorov PWM reguláciu, je ale iný.

Ako sme si už spomínali, tak špičková intenzita impulzov neslabne a trvá iba kratší čas. I ten stačí ale na to, aby motor z pokojového stavu prekonal potrebné trecie sily na prvé pootočenie rotorom. A toto pri nízkom lineárnom napätí chýba. Trebárs 3,5 V už nemusí stačiť na rozbeh, ale 10 % intenzita PWM už stačiť bude, aj keď priemerný výkon motora bude pod úroveň chodu s lineárnym napájaním. Cez PWM sú preto v drvivej väčšine prípadov dosahované nižšie štartovacie otáčky a rozdiel medzi nimi a minimálnymi je často nulový. Pri lineárnom spôsobe regulácie je rozdiel obvykle pomerne veľký – keď už sa ventilátor točí (a prekonal najväčšiu treciu silu) je na spomaľovanie pomerne veľký priestor.

Existujú však aj ojedinelé prípady, keď sú nižšie štartovacie otáčky pri lineárnej regulácii. Napríklad ako to je aj v prípade ventilátora SilverStone SST-FQ121. Ako je to možné? Tento ventilátor síce podporuje PWM reguláciu, ale v rámci návrhu mu chýba v obvode kondenzátor, ktorý podrží napätie aj v čase medzier. Keď sa toto stretne s príliš nízkou frekvenciou spínania PWM, tak cez PWM môže byť minimálna rýchlosť rotora pokojne 1000 ot./min a prostredníctvom DC regulácie iba 280 ot./min, ako sme namerali. Trecí odpor je veľmi nízky, takže to možné je.

Takýto na reguláciu, povedzme atypický ventilátor, vznikol zrejme jednoduchšie, než by bolo vhodné. V období, keď SST-FQ121 vyšiel, vychádzalo aj veľa iných ventilátorov, ktoré už ale používali výhradne DC napájanie. Tento ventilátor tak zrejme nevznikal natívne ako „PWM“, ale je odvodený od modelov, ktoré boli optimalizované na lineárnu reguláciu. Dodávaným príslušenstvom to potvrdil (a tým sa prezradil) aj SilverStone. Namiesto PWM adaptéru s odporom je dodávaný adaptér s natívne 4-pinovým konektorom molex zapojeným na 5 V.

S ventilátorom SilverStone SST-FQ121 sa dodáva spomaľovací adaptér z konektoru molex (t.j. s lineárnym napájaním). Už to je predzvesť toho, že s PWM reguláciou pri nižšej intenzite nebude niečo v poriadku.

Určite si spomeniete, ako pomerne neskoro Noctua predstavila prvý PWM ventilátor. Konkurencia mala už dávno, Noctua až s odstupom nejakých rokov.

Noctua to vtedy obhajovala dlhým vývojom riadiacej jednotky NE-FD1, ktorá je na úrovni ventilátora a stará sa o kvalitu PWM. A tu asi znovu platí príslovie „na dobré veci si treba počkať“, aby to nestroskotalo ako u toho nedotiahnutého SilverStonu, že. Sú však i situácie, do ktorých sa PWM regulácia nehodí. Typický príklad je napájanie LED v monitoroch. Pri nízkom jase, ktorý je dosahovaný nízkou intenzitou PWM, dochádza často k blikaniu. Prečo? Viete, LED sú v rámci jedného cyklu PWM citlivé na veľké medzery bez napätia. Tie sa s vyšším jasom (teda s vyššou intenzitou PWM) zužujú a preto sa so zvyšujúcim jasom viditeľné blikanie stráca.


  •  
  •  
  •  
Flattr this!

Komentáre (10) Pridať komentár

  1. oko je citlivé na nízke frekvencie zmeny jasu a žiaden „kondenzátor“ to nespraví, preto aj kedysi 50 Hz CRT televízory pri zobrazení svetlého obrazu, t.j. s vyšším jasom nepríjemne blikali a práve preto sa presadili 100 Hz, kde to nebolo vidno. Nemýľte si to so súčasnými LCD/OLED, kde je obraz zobrazený v princípe neprerušovane a Hz znamenajú počet spracovaných snímkov za sekundu technológií zabezpečujúcich plynulý pohyb obrazu.

    1. Budem to asi musieť trochu upraviť, ak je riziko, že si tie posledné dve jednoslovné vety niekto spojí s týmto. 🙂 Samozrejme, že v rámci takýchto bezkumutátorových systémov, ako je monitor LCD, kondenzátor nič neriešie. Skôr, než že si to na základe textu niekto spojí s tým prípadom SilverStone, som si myslel, že z toho jasne vypýva spojenie, že to blikanie LED spôsobuje dlhší čas bez napätia v rámci jedného cyklu PWM (než ako napríklad pri vyššom jase/vyššej intenzite PWM).

  2. Pekný jednoduchý článok pre ozrejmenie problému.

    Bohužiaľ zase tá gramatika. Je tam toho viac, ale nechce sa mi všetko rozpisovať tak aspoň prvú vetu:
    „K odpovedi na otázku s titulku sa budeme prepracovávať naprieč celý článkom. Jeho cieľom je, aby na koniec vedel odpoveď každý, aj keď teda väčšine našich čitateľov vie, čo je PWM regulácia a prečo je vhodnejšia než lineárna.“
    …na otázku Z titulku…
    …aj keď teda väčšinA našich čitateľov vie…

    1. Ďakujem za upozornenie. Tie chyby ma štvú, extrémne ma štvú a výhľadovo to budeme riešiť. Dočasné riešenie asi bude, že tie články nebudem vydávať unavený, keď sa neviem an ten text koncentrovať na 100 %, a z dlhodobého hľadiska sa bavíme o korektorke. Chyby v texte vznikajú skrátka preto, že všetku energiu investujem do testovania a potom už nezostáva na bezchybné napísanie. Je to, samozrejme, naprd a pred vydaním to bude musieť vždy niekto čítať (tá korektorka), aby tým netrpel čitateľ a samozrejme následne i návštevnosť tých článkov, keďže vás bude nedokonalý sloh prirodzene odrádzať. Uvedomujem si to, vyriešime. Zatiaľ to teda spravím tak, že každý článok vydám až keď ho budem schopný plnohodnotne prejsť text a skontrolovať ho na chyby. Uvidíme, ako dlho mi takéto nastavenie vydrží. 🙂

      Každopádne znovu ďakujem za upozornenie, všetko opravené.

  3. Nebudem teraz liesť do BIOSu a overovať si aké tam mám nastavenia, ale čo z toho?
    Je rozdiel medzi ventilátormi?
    Či celá pointa článku je o 2 metódach riadenia otáčok?
    1. znížením napätia, 2. predlžovaním nuly?
    a rozdiel je len v tom, že… neviem kto napája v skrini ventilátor na menej ako 5V. V článku mi chýba či impulzné napájanie znamená zníženú spotrebu, kedže narozdiel od diod, ventilátor sa očí aj bez napájania, zotrvačnosťou. Ale zas W = U*I, nie?
    Otázka zas je, čo je lacnejšie, efektívnejšie. Znižovať napätie alebo vytvárať pulzy.
    Zas iné, keď mám obyčajný ventilátor bez ovládania otáčok, pomocou DC sa dajú ovládať otáčky (znížim napätie a mám nižšie otáčky). Zmení sa ich ovládateľnosť pomocou PWM?
    Nie že by ma to intenzívne trápilo, ja som svoje ventilátory napojil na 7V, fúkať fúkajú, sú tiché a ich dodatočnou reguláciou by som nič nezískal, regulovaný je len ventilátor na CPU a grafickej karte (formálne sa tvári aj ten v zdroji, že sa reguluje), ale pre zaujímavosť, či má vôbec zmysel v tomto niečo riešiť.

    Pri monitoroch je to jednoznačné. Tam pulzy sú cítiť. Človek to vníma podvedome. Čím mladší, tým intenzívnejšie. Ale pri ventilátoroch… jediný význam vidím v tom, mať všade len 0 a 12V.

    1. Pointa článku je, aby aj ten, kto doteraz nevedel, čo je impulzná (PWM) regulácia mal predstavu. A zároveň i to, prečo sa masívne používa vo ventilátoroch a je to tá lepšia možnosť, keďže je s PWM možné dosiahnuť na nižšie minimálne otáčky.

      „V článku mi chýba či impulzné napájanie znamená zníženú spotrebu“ — platí zákon zachovania energie. Rozvádzať tému efektivity pri ventilátoroch, ktoré majú obvykle veľmi malé spotreby, ale nevidím ako príliš dôležité. V kontexte rozdielov stratového výkonu spínaných/lineárnych zdrojov je to, samozrejme, niečo iné. Preto sa aj prerušovaným dávkovaním näpatia začal vôbec niekto zaoberať, že. 🙂

      Teraz sa mi vynoril jeden náš starší článok s mini porovnaním NF A12x25 PWM a NF A12x25 ULN, z ktorého je celkom pekne vidieť rozdiel v správaní pri nízkych otáčkach. A aj keď elektrotechnický návrh NF A12x25 ULN bude zrejme ziadne navrhnutý na DC reguláciu, tak pri veľmi nízkych otáčkach je chod A12x25 PWM lepší. Zatiaľ čo motorček ULN verzie sa pri aj pri 270 otáčkach (je to počuť, cvakanie), tak PWM verzia je pri ešte nižších (225) otáčkach bezhlučná.

      1. Preto som sa pýtal, že či má nejaký význam dosiahnúť ešte nižšie otáčky, keď sa to porovnáva s 3,5V, keď bežné napätie je 5V a 12V, a rozdiel vo výkone, i hluku medzi 3,5 a 5V je minimálny, čo podľa mňa znamená, že výhoda PWM roztočiť sa aj pri 3,5V z článku (3,3V) je irelevantná. Všetky ktoré som mal, sa v pohode roztočili pri 5V. Pri 5V je pre mňa každý nepočuteľný.

        1. Malo to by skôr inak naformulované:
          Ako sa chová obyčajný (hociktorý) ventilátor pri PWM, keď je napájaný pulzami namiesto úpravy napätia?
          A či sa inak chová špeci PWM ventilátor pri DC ovládaní?

          1. Každý, v základných veciach správne skonštruovaný PWM ventilátor (a takých je 95 %) bude cez impulznú reguláciu fungovať lepšie ako pri DC regulácii. Dané je návrhom elektroniky, ktorá je stavaná na chod cez PWM. Niečo podoné bude platiť opačne, ventilátor stavaný na lineárnu reguláciu bude cez PWM fungovať horšie (akurát sa to bude horšie dokazovať, pretože by bolo potrebné generovať na DC pin vlastné impulzy. A to, ako dobre/zle to pôjde, bude samozrejme závisieť aj od frekvencie). Dobrým príkladom toho je ten mačkopes v podobe SilverStone SST-FQ121.

            Okrem mnohých iných odlišností majú ventilátory PWM na svojej strane integrovaný obvod, ktorý riadi/usmerňuje PWM reguláciu. Na ňom záleží, ako (ne)dobrá tá regulácia bude. Čiže áno, špeci PWM ventilátor sa bude vždy lepšie chovať, respektíve štartovať stabilne pri nižších otáčkach (a aj dosahovať nižšie minimálne otáčky) aj bez pazvukov trápacieho sa motorčeka, ktorý má nedostatok napätia. Holt sú veci, ktoré fakt nemá zmysel naivne porovnávať, pretože výsledok je možné celkom presne predvídať z konštrukcie zariadenia, v tomto prípade ventilátora.

            Ak by bolo niečo treba dovysvetliť, ozrejmiť, rád tak urobím. Je to predsa len náročnejšia problematika.

        2. Jasné, je to na každom, čo používateľ, to iné nároky. Mrknite ešte na posledný odstavec, ktorý som doplnil do môjho predošlého príspevku. Rozdiely bývajú nielen v nižších minimálnych otáčkach, ale aj v tom, ako to (motor) pri nich znie. Ked s DC skučí, tak ťažko na hranici spodného spektra otáčok hovoriť o dobrom návrhu.

          „Ako sa chová obyčajný (hociktorý) ventilátor pri PWM, keď je napájaný pulzami namiesto úpravy napätia?“ K tomuto sa neskôr podrobnejšie vyjadrím, je to zložitejšie… Teraz musím dokončiť a vydať testy SPC Fluctus 120 PWM. 🙂

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *