L'alimentazione del PC

INFORMAZIONI TECNICHE

Le ventole del PC
Tensione, corrente e potenza

Dati di alimentazione

Tensione

Sfogliando i cataloghi dei vari costruttori si trovano motorizzazioni da 1,5 fino a 24 e 48V in corrente continua, per poi passare a ventole in corrente alternata da 115 e 230V. (Va precisato che i motori delle ventole in corrente alternata sono molto diversi da quelli fino ad ora visti, come pure quelli delle ventole di potenze elevate o di particolari soluzioni speciali).

Normalmente nei PC le ventole sono tutte a 12V, perchè questa è la tensione che meglio si presta all' alimentazione dei piccoli motori, anche se qualche ventola miniaturizzata , ad es. per schede video, può essere a 5V; diversa è la situazione nei computer industriali, negli strumenti o in applicazioni diverse, dove la necessità di maggiori portate d' aria richiede motori di potenza più elevata di quella possibile con i brushless fino ad ora visti, per cui si trovano con facilità ventole a 24V o 48V oppure in corrente alternata.

I costruttori specificano nei fogli tecnici un range di sicurezza minimo e massimo per la tensione di alimentazione; questi massimi e minimi sono indicazioni necessarie e ne va tenuto conto nel caso si desideri variare la velocità variando la tensione di alimentazione.

Il minimo dipende dal tipo di ventola, ma raramente scende al di sotto di 4,5V per un modello da 12V nominali; nei sistemi a transistor discreti, a questi bassi valori di tensione non c'è energia sufficiente per magnetizzare le bobine, mentre nei sistemi con controller più complessi, i circuiti integrati cessano di funzionare. Inoltre va ricordato che :

- la tensione a cui la ventola si avvia con sicurezza è maggiore di quella che, una volta avviata, la manterrà in rotazione. Questa considerazione è importante per chi si diletta nel realizzare regolatori di velocità : quando la ventola è avviata, si potrà abbassare la tensione ad un valore miniore di quello necessario per avviarla da fermo. Quindi, raggiunto un minimo, è sempre indispensabile verificare se la ventola parte con sicurezza se alimentata con questa bassa tensione.
- una ventola con molte ore di lavoro o sporca necessiterà per avviarsi di una tensione più alta che se fosse nuova. Se la ventola nuova parte con 4V, non è detto che questo sarà possibile anche quando i supporti dell' albero saranno usurati da un lungo lavoro o parte del lubrificante andrà persa oppure la polvere si sarà depositata in quantità su motore e pale. Quindi, nella scelta della tensione minima, questa è una ulteriore ragione per non scendere al di sotto dei minimi indicati dai costruttori.

In sostanza, riducendo troppo la tensione si rischia di avere un arresto della rotazione oppure l' impossibilità di avvio.
Va detto che , con la riduzione della tensione, si ha come conseguenza la riduzione della velocità di rotazione e del rumore prodotto, come vedremo più avanti, ma, contemporaneamente si riduce anche il flusso di aria spostato.

D' altro canto, aumentando la tensione, si ottiene un aumento della velocità di rotazione e della portata. Il massimo indicato dai fogli dati si aggira attorno ai 18V : una tensione superiore a quella nominale produce sì un aumento della velocità/portata, ma ha vari inconvenienti :

- le parti di supporto dell' albero rotante vengono sottoposte a sforzi eccessivi e la durata meccanica della ventola si riduce, speso in modo molto sensibile
- aumenta il rumore
- con tensioni oltre un certo limite si corre il rischio di danneggiare i semiconduttori interni al motore, in particolare i circuiti integrati che hanno un limite a circa 20V.

In sostanza, eccedendo con la tensione si rischia un danno permanente alla ventola o una drastica riduzione della vita prevista.

Corrente e potenza

Una stessa ventola, lasciando inalterate le dimensioni meccaniche e variando i parametri costruttivi dello statore, può essere realizzata in diverse selezioni, con potenze e portate di aria anche molto diverse; quindi le dimensioni meccaniche sono solo fino ad un certo punto indice di diverse prestazioni. Sicuramente una ventola da 120 mm avrà una portata maggiore di una da 40 mm, ma due ventole da 80 mm di modello diverso potranno avere portate, velocità consumi anche più che doppi l' una rispetto all' altra.
Ovvero, le ventole di una stessa dimensione meccanica NON sono tutte uguali e una vale l' altra; sarebbe come dire che tutte le auto con 4 ruote sono la stessa cosa e una vale l' altra.

Detto questo, si comprende come il secondo dato spesso presente in etichetta sia la corrente e/o la potenza.
La conoscenza della corrente assorbita (o della potenza) è importante in eventuali calcoli di resistenze di caduta per ridurre la velocità ed è indicativo per valutare quante e quali ventole possono essere collegate ad una presa della scheda madre o di un regolatore. Le correnti variano da qualche decina a qualche centinaio di milliampere, quindi nell' ambito di valori piuttosto bassi se paragonati alle disponibilità dell' alimentatore; nel caso in cui l' alimentazione delle ventole deriva direttamente dall' alimentatore del PC, il loro carico è solitamente trascurabile.
Diversa è la condizione in cui la ventola è collegata alla scheda madre : qui è consigliabile collegare una sola ventola per ogni connettore, sia perchè è opportuno non far circolare inutili correnti sul circuito stampato, sia perchè i sistemi di controllo on board sono in grado di fornire correnti limitate. La stessa precauzione va adottata nel caso di pannelli di controllo della velocità; il foglio di istruzioni riporta la massima corrente che ogni canale può sopportare. Superando questo valore si rischia di far surriscaldare e di danneggiare gli elementi di regolazione.

Alcuni costruttori indicano sull' etichetta la potenza piuttosto che la corrente. Questo è essenzialmente un valore elettrico, ovvero è il prodotto della tensione per la corrente assorbita, secondo la nota formula :

P = V x I

ed è relativo a quanto è a disposizione per muovere l' aria a meno del rendimento dell' insieme motore-pale-condotto d' aria. Solitamente la potenza di questo tipo di ventole è compresa tra 0,5 e 5W, ben raramente maggiore; come già detto, si tratta quindi di potenze molto piccole, rispetto a quelle disponibili dall' alimentatore o assorbite dalle principali componenti del personal computer.
Conoscendo la potenza, si può facilmente calcolare la corrente :

I = P / V

Può essere interessante considerare che la corrente assorbita dal motore brushless contiene una sensibile componente impulsiva dovuta alle rapide commutazioni dei transistor che comandano le bobine dello statore : la forma d' onda della corrente di alimentazione tipica di ventola a 12V per PC è analoga a quelle riportate nelle immagini qui sotto.

Questa è la componente impulsiva della corrente assorbita da una tipica ventola con motore brushless da 80 mm.
Si notano bene gli intensi picchi che avvengono al momento della commutazione delle bobine dello statore che, avvolte su ferro, presentano una induttanza considerevole.

Un altro modello di ventola, con diverso motore brushless, da 60 mm : i picchi qui sono di ampiezza minore, per la presenza di un piccolo condensatore elettrolitico in parallelo, installato nel motore stesso.

Anche le ventole PWM hanno comportamento analogo.

In una ventola con controllo PWM a 4 fili, alla fluttuazione dovuta alle commutazioni, si somma la componente a frequenza molto più elevata, dovuta alla modulazione di impulso che regola la velocità.

Si tratta degli impulsi, attorno ai 20kHz, prodotti dal controller PWM sulla scheda madre per la regolazione della rotazione in funzione della temperatura.
Nell' immagine il rate del PWM è circa il 90%.

Ponendo in parallelo al motore un condensatore elettrolitico da 100uF la componente ad alta frequenza del PWM viene praticamente eliminata, mentre permane ancora quella a bassa frequenza della commutazione delle bobine.
Da notare che le ventole PWM testate hanno presentato tutte un minore ripple (ondulazione), dell' ordine delle decine di millivolt, rispetto alle ventole non PWM, il cui ripple è di almeno un ordine superiore.

In sostanza, la forma d' onda ed il livello della corrente di ripple varia significativamente a seconda del tipo di ventola e del modo in cui il motore è stato realizzato. Quindi anche le ventole sono da considerare una fonte di rumore elettrico che contribuisce a quello complessivo del PC, anche se , data la piccola potenza in gioco, sono minori delle innumerevoli altre fonti di rumore elettrico presenti, come alimentatore, segnali su cavi e circuiti stampati, motori di dischi, CD, ecc. , che consumano correnti dell' ordine degli ampere.

Nota
Per chi fosse interessato al lato più tecnico di questa discussione, diciamo che le immagini sono state prese con un oscilloscopio digitale tipo PicoScope, rilevando la tensione su una resistenza da 1 ohm posta in serie ai motori, alla tensione nominale di 12V.