مقايسه اندازه فن‌ها

[rezalaghaian]

در ابتدا لازم به توضيح است که ملاک اندازه‌گيري سايز فن، قطر پره‌هاي آن به اضافه پوشش محافظ پره‌ها در طرفين مي‌باشد. اگر دقت کرده باشيد، اغلب فن‌هاي بازار در سطح مقطع مربعي شکل هستند که منتهي اليه هر کنج آن، محلي براي نصب فن با پيچ در نظر گرفته شده است. اگر بخواهيم راحت‌تر متوجه اندازه فن شويم، کافي است طول يک ضلع اين مربع را اندازه‌گيري کنيم. البته پارامتر عمق فن نيز در کارآيي آن تاثير گذار است ولي ما در اين مبحث صرفا به بررسي فن‌هاي متداول بازار با عمق 25 ميليمتر خواهيم پرداخت.

به صورت کلي، صرفا ابعاد فن نمي‌تواند ملاک برتري در کارآيي آن باشد. به عبارتي اگر دو فن در دو سايز بزرگ و کوچک و با RPM ( دور در دقيقه ) يکسان داشته باشيم، معمولا فن بزرگتر داراي جريان هواي بيشتري خواهد بود. اما معمولا هر چه ابعاد فن بزرگتر مي‌شود، RPM آن نيز کمتر خواهد بود. از اين رو ممکن است دو فن در دو سايز بزرگ و کوچک داشته باشيم که RPM بيشتر فن کوچک، موجب برتري جريان هواي آن نسبت به فن بزرگتر شود. ولي از طرف ديگر، بزرگترين مزيت فن با ابعاد بزرگتر در مقايسه با فن در ابعاد کوچکتر( در حالت RPM يکسان)، صداي کمتر فن بزرگتر است.
متداول‌ترين سايز فن‌هاي موجود در بازار، فن‌هاي 80 و 120 ميليمتري هستند ولي سايز‌هاي مختلفي از فن نيز در بازار که در ابعاد
40، 60، 80، 90، 100، 120، 135، 140 و... ميليمتر و با عمق‌ بين 15 الي 30 ميليمتر وجود دارد.
يکي از پارامتر‌هاي ظاهري فن که رابطه مستقيم با کارآيي آن دارد، سايز پوشش هسته مرکزي آن (HUB) مي‌باشد. معمولا توصيه مي‌شود در کنار ساير پارامتر‌هاي فني در نظر گرفته شده، از فني استفاده شود که داراي پوشش هسته مرکزي (HUB) کوچکتري باشد چرا که فضاي پشت اين پوشش، يک فضاي مرده براي جريان هوا به شمار مي‌رود و عملا موجب کاهش کارآيي فن خواهد شد. ولي به صورت کلي، اگر دو فن يکسان از نظر RPM، CFM( حجم عبوري هوا ) و ابعاد داشته باشيم، هر چه HUB بزرگتر باشد، صداي ناشي از کارکرد فن بيشتر خواهد بود و از طرف ديگرشدت فشار يا Air Pressure بيشتري خواهيم داشت. به همين جهت معمولا در سيستم‌هاي سرور فن‌ها داراي HUB بزرگتري هستند چرا که صدا در اينگونه سيستم‌ها اهميت چنداني ندارد ولي فشار هوا داراي اهميت ويژه‌اي در پوشش سطح مستقيم روبروي فن دارد.
يکي ديگر از نقاط ضعف اينگونه فن‌ها، توزيع نامناسب هواست. يعني در فن‌هايي با HUB بزرگ، صرفا مسير روبروي فن تحت تاثير اين فشار و جريان هوا خواهد بود و اگر دقت کرده باشيد در سيستم‌هاي سرور، از دو تا چهار فن به صورت موازي و در کنار يکديگر براي پوشش سطح مورد نظر استفاده مي‌نمايند.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 1

[rezalaghaian]

معمولا در شرايط يکسان دوران فن، فن‌هاي بزرگتر به خاطر بزرگ بودن و عريض بودن پروانه‌هايشان، مقاومت بيشتري در مقابل فشار استاتيک دارند. بنابراين اگر شما در شرايطي باشيد که در پشت کيس هوايي با فشار بالا وجود داشته باشد فن‌هاي سايز کوچک، راحت‌تر مي‌توانند بر اين فشار غلبه نمايند. معمولا سرعت چرخش فن‌ها يکي از عوامل توليد صدا در آنها مي‌باشد.
براي رسيدن به يک CFM (حجم عبوري هوا) و Air Pressure (فشار هوا) ثابت و از پيش تعيين شده، فن‌هاي سايز بزرگتر از فن‌هاي سايز کوچکتر، RPM کمتري خواهند داشت و کمتر مي‌چرخند، بنابراين صداي کمتري توليد خواهند نمود. يکي ديگر از عوامل برتري فن‌هاي سايز بزرگ، برتري نسبي قطر کلي فن به قطر HUB آنهاست که معمولا نسبت 4 به 1 يا 3 به 1 مي‌باشد.
يعني اگر سايز فن ما 120 ميليمتر باشد، سايز قطر HUB آن معمولا بين 3 الي 4 سانتيمتر مي‌باشد. در حالي که اين نسبت در مورد فن‌هاي 80 ميليمتري، معمولا 2 به 1 مي‌باشد. به عبارتي تقريبا نيمي ‌از سايز اصلي پره‌ها در فن 80 ميليمتري را HUB آن تشکيل داده است که در مقايسه با فن‌هاي بزرگتر مثل فن‌هاي 120 ميليمتري، يک نکته منفي به شمار خواهد رفت.
CFM (جريان هوا) = سرعت عبور هوا * سطح عبور هوا
طبق روابط فن مي‌توان گفت که جريان هوا با مربع قطر فن و سرعت چرخش، نسبت مستقيم دارد.
بنابراين ( در شرايط RPM و HUB يکسان) جريان هواي عبوري يک فن 120ميليمتري، تقريبا معادل 3/2 برابر جريان هواي عبوري يک فن 80 ميليمتري مي‌باشد.
در نهايت، برتري کلي هر يک از دو فن 80 و 120 ميليمتري با RPM يکسان به صورت ذيل خواهد بود:
• فن 120 ميليمتري داراي صداي کمتر، حجم عبور هواي بيشتر و HUB کوچکتر خواهد بود.
• فن 80 ميليمتري داراي فشار هواي بيشتر خواهد بود.
تاثير ولتاژ بر کارآيي فن
به طور کلي مي‌توان گفت در صورتي که يک نمونه فن توانايي تحمل ولتاژ در چندين رنج مختلف را داشته باشد، منحني کارآيي فن مطابق شکل 2 تغيير مي‌کند. به عبارتي افزايش ولتاژ ورودي موجب افزايش کارايي اينگونه فن‌ها در تمامي ‌پارامترهاي مربوطه (به غير از نويز صوتي) خواهد شد.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 2

[rezalaghaian]

به همين جهت و براي رسيدن به بهترين کارآيي، در اغلب پاورها از سيستم تغيير سطح ولتاژ ورودي فن متناسب با دماي داخلي پاور استفاده مي‌شود، تا پيوسته کمترين صداي ناشي از کارکرد فن را داشته باشيم. از طرف ديگر اين مسئله موجب افزايش طول عمر فن و راندمان پاور نيز خواهد شد. معمولا فن‌هاي متداول بازار، اين توانايي کارکرد با تغيير سطح ولتاژ در رنج 6 الي 13 ولت را دارند.
کنترل سرعت فن‌ها
در سيستم‌هاي قديمي‌تر که اصولا توجه کمي‌ به راندمان و مصرف انرژي داشتند؛ يا به طور کلي از فن استفاده نمي‌کردند و يا در حالاتي نيز که ناچار به استفاده از فن‌هاي خنک کننده بودند در تمام مدت استفاده، فن‌ها را با حداکثر دور خود راه اندازي مي‌کردند. بنابراين در اين شرايط، در مواقعي هم که سيستم نياز به خنک کنندگي نداشت فن با حداکثر توان خود کار مي‌کرد که اين امر علاوه بر از دست رفتن مقدار زيادي انرژي، باعث ايجاد صداي ناهنجار دائمي‌ مي‌شد و مهمتر اينکه عمر فن نيز کاهش مي‌يافت. بنابراين ايده کنترل سرعت فن متناسب با وضعيت حرارتي سيستم مطرح شد. اين کار را مي‌توان به روش‌هاي مختلفي انجام داد که هر کدام مزايا و معايبي دارند که در زير به آنها مي‌پردازيم البته قبل از آن بايد با انواع فن‌ها ( شکل 3) در اين زمينه آشنا شويم.
• فن‌هاي دو سيم : اينگونه فن‌ها داراي دو سيم تغذيه هستند که يکي به منبع تامين ولتاژ ورودي وديگري به زمين (Ground) متصل مي‌شود.
• فن‌هاي سه سيم : اينگونه فن‌ها داراي سه سيم هستند که علاوه بر سيم‌هاي تامين ولتاژ و زمين جهت تغذيه، يک سيم ديگر به نام Tacho دارند که به عنوان خروجي استفاده مي‌شود. سيم Tacho در اين فن‌ها، در حقيقت سرعت چرخش، که توسط خود فن اندازه‌گيري مي‌شود را، توسط يک سيگنال مربعي به کنترل کننده منتقل مي‌کند و کنترل کننده با سنجش اين سيگنال سرعت فن را در هر لحظه ثبت مي‌کند.
• فن‌هاي 4 سيم : اينگونه فن‌ها داراي چهار سيم مي‌باشند که علاوه بر سيم‌هاي تامين ولتاژ، زمين و خروجي Tacho ، سيم ورودي ديگري به نام PWM دارد، که از اين ورودي براي کنترل سرعت فن استفاده مي‌شود.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 3: تصويري از فن‌هاي 2، 3 و 4 سيم

[rezalaghaian]

توضيحاتي در مورد PWM
واژه Pulse Width Modulation) PWM)به معناي مدولاسيون عرض پالس مي‌باشد. پالس يک موج مربعي شکل است که در فرکانس‌هاي مختلفي ايجاد مي‌شود. اين موج در نصف دوره تناوب خود مقدار صفر و در مابقي آن مقدار ماکزيمم دارد.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 4
همانطور که در شکل 4 مي‌بينيد عرض پالس به مدت زماني گفته مي‌شود که مقدار موج در آن ماکزيمم است. به اين مقدارDuty Cycle نيز گفته مي‌شود. در روش PWMدر فرکانس کاري سيگنال، اطلاعات باعث تغيير پهناي پالس مي‌شوند و آن را کم يا زياد مي‌نمايند. شکل سيگنالي که با مدولاسيون PWM توليد مي‌شود را مي‌توانيد در شکل 5 ملاحظه فرماييد.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 5
روش‌هاي کنترل سرعت فن
حال به سراغ روش‌هاي کنترل سرعت فن مي‌رويم. در عمل روش‌هاي زير براي کنترل فن‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند:
1ـ روش حرارتی و يا روشن/خاموش
2ـ کنترل خطی ولتاژ
3ـ روش PWM فرکانس پايين
4ـ روش PWM فرکانس بالا
در ادامه بطور مختصر به بررسي اين روش‌ها مي‌پردازيم.

[rezalaghaian]

روش حرارتي يا روشن/خاموش
اين روش، ساده‌ترين روش کنترل است. به اين صورت که توسط يک سنسور درون کيس و تعيين يک دماي آستانه، هرگاه دماي داخلي کيس نياز به خنک‌کنندگي داشته باشد فن با حداکثر دور خود، شروع به چرخش خواهد نمود و تا زماني که دما به زير مقدار آستانه نيامده باشد، فن از کار نخواهد افتاد.
روش کنترل ولتاژ خطي
در اين روش ما مي‌توانيم سرعت را به وسيله تغيير ولتاژ تغيير دهيم به اين ترتيب که با کم شدن ولتاژ، سرعت فن کاسته مي‌شود و با زياد شدن ولتاژ، سرعت آن افزايش مي‌يابد. اين تغيير ولتاژ مي‌تواند به طرق مختلف انجام پذيرد که در زير اين روش‌ها را ملاحظه مي‌کنيم:
• روش مقاومتي : در اين حالت ساده‌ترين کار استفاده از يک رئوستا براي تغير سطح ولتاژ ورودي فن مي‌باشد، ولي بايد به اين نکته نيز توجه کرد که مقاومت موجود در اين رئوستا، علاوه بر اين که موجب اتلاف انرژي مي‌شود، خود باعث افزايش دماي داخلي خواهد شد. بنابراين مناسب‌تر به نظر مي‌رسد که براي تغيير ولتاژ از يک پتانسيومتر همراه با يک MOSFET قدرت استفاده شود.
• روش ديودي : مي‌توان با استفاده از سري کردن ديود‌هاي سيليکوني و يا ديود‌هاي زنر با مدار فن، افت ولتاژ‌هاي مختلفي روي ديود‌ها ايجاد نمود و به اين ترتيب ولتاژ فن را تغيير داد.
• روش VOLT MODING : به اين ترتيب است که با استفاده از ولتاژ‌هاي موجود در منبع تغذيه، اقدام به تغيير ولتاژ مي‌شود. بدين منظور مي‌توان ولتاژ‌هاي 12 ولت،
7 ولت) با اتصال سيم مثبت به +12 و سيم منفي به +5 (، 5 ولت و در نهايت 24 ولت(با اتصال سيم مثبت به +12 و سيم منفي به -12 را توليد نمود). ولي اين کار خطرات خود را نيز به همراه دارد زيرا در صورت به وجود آمدن اتصال کوتاه در مدار فن، ممکن است براي مداراتي که به +5 ولت متصل هستند Over Voltage ايجاد شده و آسيب ببينند.
• توسط مدارات مجتمع : اين مدارات با استفاده از رگولاتورهايي که درون خود دارند مي‌توانند ولتاژ را تغيير دهند. ولي بايد راندمان اين مدارات را نيز در نظر گرفت.
در کل روش تغيير خطي ولتاژ، يکي از عمومي‌ترين روش‌هاست و با وجود مزاياي خاص خود معايبي نيز دارد.
روش PWM
اين روش يکي از متداول‌ترين روش‌هاي حال حاضر است که در آن يک سيگنال PWM به ورودي قدرت فن داده مي‌شود. همانطور که پيش‌تر ذکر شد اين سيگنال از پالس‌هايي با عرض متغير و فرکانس ثابت تشکيل شده است. بنابراين در اين روش فن يا به طور کامل خاموش و يا به طور کامل روشن است ولي اين روشن و خاموش شدن در سرعت بسيار زياد انجام مي‌شود و در هر دوره تناوب، کنترل کننده، زمان روشن بودن و يا خاموش بودن فن را تعيين مي‌کند. از مزاياي اين روش مي‌توان به سادگي اجرا، راندمان بسيار بالاي آن و سرعت عکس‌العمل فن اشاره نمود.
براي فن‌هاي دو سيم، مي‌توان از روش حرارتي، روش کنترل ولتاژخطي و روش PWM استفاده کرد. ولي در اين روش‌ها، فن‌هاي دو سيم هيچ اطلاعاتي از سرعت خود را به سيستم باز نمي‌گردانند. بنابراين ايده فن‌هاي سه سيم مطرح شد تا علاوه بر دو سيم راه انداز يک سيم هم به عنوان فيدبک، اطلاعات فن را به کنترل کننده انتقال دهد. اين فن‌ها تا زماني که از تکنيک‌هاي ON/OFF و يا کنترل خطي ولتاژ براي آنها استفاده مي‌شود مشکلي نخواهند داشت ولي اگر سيگنال PWM به عنوان ورودي قدرت اين فن‌ها استفاده شود در زماني که سيگنال PWM، در حالت HI مي‌باشد کل مدارات فن فعالند و زماني که اين سيگنال در وضعيت LOW است فن خاموش خواهد شد. لذا در اين حالت مدار توليد کننده سيگنالTacho که از يک سيستم Open Collector و يا Open Drain استفاده مي‌کند نيز، غير فعال شده و اين سيگنال از بين مي‌رود و با شروع پالس بعدي مدار دوباره روشن مي‌شود. اين اختلال باعث مي‌شود که سيگنال Tacho اطلاعات فن را به درستي به سيستم منتقل نکند و عملاً بي‌استفاده شود. بنابراين براي حل اين مشکل از تکنيکي استفاده کردند که در آن پهناي پالسPWM از پهناي پالس سيگنال Tacho بيشتر باشد تا سيگنال Tacho خراب نشود( شکل 6 ). به اين روش اصطلاحا انبساط پالس و يا PULSE STRETCHING گفته مي‌شود. ولي با اين کار ما مجبوريم دوره تناوب سيگنال را افزايش دهيم که سبب کاهش فرکانس آن مي‌شود و مشکل عمده‌اي که در ذيل پيرامون آن بحث خواهد شد، ايجاد مي‌گردد.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 6

[rezalaghaian]

براي حل اين مشکل، ايده فن‌هاي چهار سيم مطرح شد. اين فن‌ها که به فن‌هاي PWM هم معروف هستند، در حقيقت براي تغذيه سيم پيچ فن از يک سيم مجزا به نام سيم PWM استفاده مي‌کنند که سيگنال PWM را از سيستم دريافت مي‌نمايد و از سيم تغذيه اصلي فن فقط براي راه اندازي مدار توليد کننده سيگنال Tacho استفاده مي‌شود. بدين ترتيب اين مدار به طور دائمي ‌روشن است و سيگنال Tacho به طور پيوسته به سيستم ارسال شده و يک سيستم کنترلي حلقه بسته کامل به وجود مي‌آيد.
اما تکنيکPWM نيز يک مشکل بزرگ دارد که البته آن هم راحتي قابل حل است.
• در بحث‌هاي بالا در مورد سيگنالTacho ديديم کهPWM در فن‌هاي سه سيم باعث اختلال در اين سيگنال مي‌شد که توانستيم اين معضل را با استفاده از تکنيک انبساط پالس و يا فن‌هاي چهار سيم حل کنيم. بايد به اين نکته دقت داشت که سابقاً فرکانس کاريPWM را در حدود 20KHz قرار مي‌دادند. در صورتي که از تکنيک انبساط پالس هم استفاده نماييم، امکان کاهش اين مقدار نيز وجود دارد. اگر کمي‌ دقت کنيم مي‌بينيم که اين فرکانس در محدوده حوزه شنوايي انسان (2Hz20KHz ) قرار دارد و در صورتي که فن با اين فرکانس روشن خاموش شود ما به راحتي مي‌توانيم صداي روشن و خاموش شدن آن را بشنويم و اين خيلي بد است و خيلي بدتر خواهد شد اگر هنگامي ‌که آهنرباي استاتور مانند آهنرباي بلندگو و پروانه‌هاي فن مانند غشاي بلندگو عمل کنند!!! همچنين اين مورد باعث ايجاد يک نويز مخابراتي براي سيستم مي‌شود که مطمئنا در کار سيستم اختلال ايجاد مي‌کند.
بنابراين روش "PWM فرکانس بالا" مطرح مي‌شود که در اين روش، فرکانسPWM را در حدود 25KHz در نظر مي‌گيرند که خارج از حوزه شنوايي انسان قرار دارد و نويز مخابراتي آن اختلال کمتري در کار سيستم ايجاد مي‌کند. البته بايد به اين نکته توجه داشت که در صورت استفاده از اين روش، فقط مي‌توانيم فن‌هاي 4 سيم را به کاربريم چون در صورت استفاده از فن‌هاي 3 سيم، يا سيگنال Tacho تخريب مي‌شود و يا براي جلوگيري از اين اتفاق بايد فرکانسPWM را کاهش داد که باز مشکلات قبل تکرار خواهد شد.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 7 : مدار فن 3 سيم

http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
شکل 8 : مدار فن 4 سيم

طرز کار فن‌هاي 4 سيم بدين گونه است که سيگنالPWM از طريق سيمPWM سيم پيچ فن را راه اندازي مي‌کند و سيم پاور براي تغذيه توليد کننده تاکو استفاده مي‌شود. بنابراين سيگنال تاکو بدون آنکه مشکلي برايش پيش آيد، به کار خود ادامه مي‌دهد. ضمن اينکه نويز صوتي و مخابراتي به طور قابل ملاحظه اي حذف شده و راندمان آن بالا خوهد رفت. مي‌توان گفت روش PWM فرکانس بالا، محدوده وسيع‌تر کنترلي نسبت به روش خطي خواهد داشت و راندمان اين روش کاملا بالاتر است، زيرا در اين روش از مدارات FET استفاده مي‌شود که يا خاموش و يا اشباع مي‌باشند که در هر دو صورت اتلاف انرژي پاييني دارند. همچنين صداي کمتري نسبت به ساير روش‌ها دارد، چرا که فن در سرعت کمتري کار کرده و تغيير سرعت در آن به نرمي‌ انجام مي‌شود که اين حرکت آرام‌تر، باعث بالا رفتن طول عمر فن خواهد شد و قابليت اطمينان سيستم بالا مي‌رود.
جدول 1 نيز خلاصه‌اي توضيحات بالا مي‌باشد.


http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
جدول 1
اگر در مقاله بعدي با ما همراه باشيد، با نحوه چيدمان فن‌ها، خصوصيات مربوط به فن‌ها براي نقاط مختلف کيس‌هاي کامپيوتري و تاثير فن‌ها بر خنک کنندگي داخلي سيستم آشنا خواهيد شد.