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.
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.