RADIATORY – ZASTOSOWANIE W KOMPUTERACH
Przetaktowanie procesorów wymaga wydajnego systemu chłodzącego. Zwykły maty wiatrak nieznanej firmy nie wystarczy, żeby utrzymać temperaturę podkręconego procesora na rozsądnym poziomie. Najłatwiej skorzystać z gotowych rozwiązań i kupić silny wiatrak z dużym radiatorem, opracowany właśnie z myślą o przetaktowanych maszynach. Można też zastosować nietypowe rozwiązania, np. chłodzenie cieczą czy użycie ogniwa Peltiera. Chłodzenie cieczą jest niezbyt popularne, głównie dlatego, że urządzenia wykorzystujące ciecz (często po prostu wodę) są duże i kłopotliwe. Gotowe są drogie, a domowej roboty mogą wprawdzie spełniać swoje zadanie, ale często ich części umieszczone są poza obudową komputera, a całość przypomina wehikuł czasu ze starych filmów scence fiction. Częściej stosowanym rozwiązaniem jest ogniwo Peltiera. Pojawił się nawet seryjnie produkowany wiatrak wykorzystujący tę technologię, ale firma Swiftech zaprzestała jego produkcji.
Nawet stosując typowy wiatrak, należy pamiętać o kilku zasadach, dzięki którym chłodzenie procesora będzie rzeczywiście wydajne.
Pasta przewodząca lub podkładka. Część wiatraka, która styka się z rdzeniem procesora, powinna być pokryta pastą przewodzącą ciepło, ewentualnie tę funkcję może spełniać specjalna podkładka. Metalowa część wiatraka-radiatora nie powinna, bowiem dotykać bezpośrednio rdzenia procesora. Jest na tyle nierówna, że uzyskanie dobrego przewodnictwa cieplnego procesor - radiator wymagałoby silnego dociśnięcia wiatraka do rdzenia CPU, co z reguły kończy się uszkodzeniem procesora. Pasta przewodząca ciepło niweluje wszelkie nierówności, a jednocześnie jest znacznie lepszym przewodnikiem ciepła niż powietrze. Do większości wiatraków dołączona jest odrobina takiej pasty: fabrycznie nałożona na radiator lub w oddzielnym opakowaniu. Większe opakowania pasty przewodzącej (zawierającej silikon lub nie) można kupić w sklepach z artykułami elektronicznymi.
Wyszlifowanie powierzchni. Jeśli dolna część radiatora jest nierówna, należy ją wyszlifować, używając drobnoziarnistego papieru ściernego do metalu, a następnie papieru do szlifowania. Zabieg ten służy również poprawieniu przekazywania ciepła z rdzenia procesora.
UWAGA NA WODĘ
Jeśli stosujesz jeden z bardziej wydajnych sposobów chłodzenia wiatraka, np. za pomocą ogniwa Peltiera lub chłodzenie cieczą, poważnym problemem mogą się okazać kropelki wody skraplające się podczas chłodzenia w pobliżu procesora lub, co gorsza, na samym procesorze. Sytuacja taka jest dość niebezpieczna dla zdrowia CPU, należy, więc zadbać o pozbycie się nadmiaru wilgoci. Rozwiązaniem jest tzw. płyn hydrofobowy, dostępny w sklepach z artykułami elektronicznymi.
OBIEG POWIETRZA
Wewnątrz komputera powinien być dobry obieg powietrza, tak aby wiatrak procesora nie "mielit" tego samego gorącego otoczenia. W szczególnych przypadkach może to wymagać zainstalowania dodatkowego wiatraka na obudowie procesora, który będzie odpowiadał za wymianę powietrza między wnętrzem komputera a otoczeniem.
CZYSTOŚĆ
Nie trzeba chyba nikogo przekonywać, że zarówno wiatrak, żeberka radiatora, jak i całe wnętrze obudowy komputera powinny być wolne od kurzu i brudu, które spowalniają pracę wiatraka i utrudniają wymianę ciepła.
OPROGRAMOWANIE
O przetaktowany procesor można zadbać także od strony oprogramowania. Dostępnych jest wiele małych, rezydentnych programów nadzorujących pracę i temperaturę procesora, informujących o sytuacjach alarmowych. Aplikacje mogą też schładzać procesor - używając instrukcji HALT lub symulując jej działanie.
OGNIWO PELTIERA
Na wielu publikacjach na temat przetaktowania chłodzenia procesorów pojawia się tajemniczo brzmiąca nazwa: ogniwo Peltiera. Co to jest?
Ogniwo Peltiera to płytka wykonana z półprzewodnika (tellurek bizmutu), działająca na zasadzie pompy cieplnej. Można powiedzieć, że przepompowuje ciepło z jednej strony płytki na drugą (oczywiście po przyłożeniu odpowiedniego napięcia). Wystarczy umieścić płytkę na procesorze (stroną chłodzącą do duło), za nią zamontować wydajny wiatrak.
Tak intensywne chłodzenie wiąże się ze wspomnianym już problemem osadzania kropel wody na płytce Peltiera i samym procesorze. Należy więc użyć odpowiedniego preparatu (płynu hydrofobowego) lub obłożyć gniazdo procesora gąbką, która zatrzyma nadmiar wilgoci.
Ogniwo Peltiera to jednak urządzenie przeznaczone dla zaawansowanych użytkowników. ponieważ wymaga dużego natężenia prądu (4 A do 8 A), wymagane jest zwykle użycie oddzielnego, odpowiednio mocnego (ok. 300 W) zasilacza. Zwykle w komputerach osobistych stosowane są zasilacze o mocy 200 W do 230 W, co na pewno nie wystarczy do zasilania systemu i płytki Peltiera. Równie ważne jest użycie bardzo mocnego wiatraka "grzejąca" strona płytki potrafi osiągnąć znaczną temperaturę i wymaga wydajnego chłodzenia. Najefektywniejsze jest użycie systemu chłodzenia wodą, co potwierdza tezę, że ogniwo Peltiera jest urządzeniem przeznaczonym dla wytrawnych i ambitnych ludzi , którzy potrzebują bardzo dobrego odprowadzania ciepła.
WENTYLATORY DUŻE I MAŁE
Przetaktowanie procesora wiąże się z koniecznością zakupu mocnego wiatraka, wydajniejszego niż zwykłe wiatraki "noname". Producenci urządzeń chłodzących prześcigają się w projektowaniu radiatorów o coraz wymyślniejszych kształtach i nietypowych kolorach. W praktyce liczy się jednak tylko to, do jakiej temperatury można schłodzić pracujący przetaktowany procesor oraz głośność pracy wiatraka. Oczywiście kształt radiatora i materiał, z jakiego jest wykonany, ma znaczący wpływ na wydajność całego urządzenia chłodzącego. Najlepszym przewodnikiem ciepła wykorzystywanym w radiatorach jest miedź, jednak urządzenia wykonane z miedzi mają dwie wady: są ciężkie i naprawdę trudno dostępne. Najczęściej stosowanym metalem jest glin (aluminium), który również świetnie przewodzi ciepło (o czym przekonał się chyba każdy, gdy przypadkiem chwycił aluminiową łyżeczkę zanurzoną we wrzątku), a w dodatku jest lekki. Niektóre radiatory w tańszych modelach wykonane są z żeliwa.
Zalety kształtu radiatora trudniej ocenić - ostatnio popularne są okrągłe, otaczające wirujące skrzydła wiatraka.
I rzeczywiście, w naszych testach takie właśnie urządzenia najlepiej schładzany procesor. Należy tylko pamiętać, że nie zawsze efektowny wiatrak z okrągłym radiatorem zmieści się na płycie głównej i konieczne będzie zeszlifowanie jego brzegów.
PRODUCENCI
Urządzenia chłodzące wyposażone w dwa wiatraki nie są już niczym szczególnym.
Podczas instalacji wiatraka równie ważny jak wielkość radiatora okazuje się sposób mocowania urządzenia do gniazda procesora. Radiator przylega do rdzenia procesora, oddzielony jest jedynie cienką warstwą pasty przewodzącej ciepło. Urządzenie powinno być pewnie osadzone na gnieździe i nie ulegać drganiom. Dolna część radiatora powinna gładko i dokładnie przylegać do rdzenia procesora. Należy jednak pamiętać, że rdzeń procesora jest kruchy i zbyt mocne dociśnięcie radiatora lub, co gorsza, dociśnięcie go niezupełnie płasko może spowodować uszkodzenie CPU. Tymczasem bardzo często wiatrak wyjęty z opakowania ma tak wygięty uchwyt mocujący, że do zamknięcia zaczepu na gdzieniegdzie trzeba mocnego dociśnięcia. Generalnie nie powinno to wymagać dużej siły. Jeśli jest inaczej, to należy za pomocą płaskich szczypiec lub kombinerek wygiąć nieco blaszany zaczep wiatraka. To z kolei często wymaga zdjęcia wiatraka z radiatora. Przed zamocowaniem należy się upewnić się, czy na dole radiatora znajduje się wystarczająca ilość pasty przewodzącej ciepło. Pasta taka jest najczęściej wykonywana
z sylikonu.
INNE ZASTOSOWANIA RADIATORÓW
Półprzewodniki takie jak np. tranzystory i diody mocy ze względu na dość duże obudowy mają możliwość oddania do otoczenia powstałego w nich w wyniku strat mocy ciepła, bez potrzeby stosowania dodatkowych urządzeń. Żeby przeciwdziałać wzrostowi temperatury powyżej niedozwolonej granicy, należy zwiększać odprowadzanie ciepła. Ciepło to można odprowadzać za pomocą: radiatora, ogniwa Peltiera czy wentylatorów.
Może to być osiągnięte przy pomocy radiatorów, które przenoszą powstałe ciepło w tranzystorze do otaczającego powietrza poprzez przewodzenie i promieniowanie.
Płaska płytka metalowa jest najprostszą formą radiatora, ale nie jest to rozwiązanie najbardziej efektywne. W większości wypadków stosuje się bardziej skomplikowane konstrukcje, które optymalizują koszt, rozmiary i wagę radiatora.
W półprzewodniku ciepło powstaje na złączu, stamtąd przenoszone jest głównie na obudowę, a później poprzez radiator do otaczającego powietrza. Takie przenoszenie ciepła można porównać z przepływem prądu przez przewód elektryczny. Analogicznie do elektrycznej rezystancji (R = V/A), odpowiada jej rezystancja termiczna (K = C/W)
Następujący prosty wzór może posłużyć do obliczania radiatora:
Tj - T amb = P x ( Kj - m + Km - h + Kh)
gdzie:
Tj= temperatura złącza
Tamb= temperatura otaczającego powietrza
P= moc wydzielana w półprzewodniku
Kj-m= rezystancja termiczna między złączem a obudową, wartość ta powinna znajdować się w danych technicznych elementu podawanych przez producenta.
Km-h= termiczna rezystancja miedzy obudową a radiatorem, wartość zależy od powierzchni styku, jakości, wielkości, jak również rodzaju wykonania. Ta wartość powinna być podana w danych technicznych.
Kh= rezystancja termiczna radiatora. Jest to rezystancja termiczna miedzy powierzchnią radiatora i otaczającym powietrzem (powierzchnia styku radiatora z powietrzem).
Chłodzenie wymuszone. Rezystancja termiczna radiatora mnożona jest przez współczynnik F, aby otrzymać zredukowane wartości, które odpowiadają różnym prędkościom powietrza.
Rezystancja termiczna między półprzewodnikiem i radiatorem powinna być możliwie najmniejsza, co uzyskuje się poprzez stosowanie dużej, płaskiej i dobrze obrobionej powierzchni styku. Obejmy powinny być dokręcone z zaleconym momentem, wystarczającym żeby uzyskać dobre przewodzenie ciepła, ale bez ryzyka uszkodzenia mechanicznego. W celu wypełnienia i pozbycia się ewentualnych bąbli powietrza używa się smarów silikonowych pomiędzy półprzewodnikiem i radiatorem. Nie powinno się go jednak używać w nadmiarze. Grubsze warstwy zmniejszają przewodzenie ciepła. Rezystancja termiczna Km-h zmienia się w zakresie między 0,14 -0,05 C/W.
Często chce się odizolować półprzewodnik od radiatora poprzez cienką płytkę izolacyjną. Rezystancja termiczna różni się dla różnych rodzajów materiałów z których są wykonane płytki. Dla płytki mikowej o grubości 0,05 mm wynosi ona ok. 1C/W, dla płytki mikowej o grubości 0,4 do 0,06 mm, która jest posrebrzona po obu stronach, wynosi ok. 0,5 C/W, a dla 3 mm grubości płytki aluminiowej z izolującym tlenkiem aluminium ok. 0,3C/W. Występują również płytki wykonane z kaptonu, gumy silikonowej i tlenku berylu.
Najlepsza jest płytka z tlenku berylu. Używa się jej przede wszystkim w stopniach mocy urządzeń wielkiej częstotliwości. Materiału jednak nie sprzedaje się w Szwecji ze względu na to, iż jest on trujący. Ci którzy dokonują serwisu urządzeń radiowych wyprodukowanych za granica powinni mieć na uwadze fakt, że mogą one w płytkach izolacyjnych zawierać tlenek berylu. Jeżeli płytka zostanie złamana, lub uszkodzona to wdychanie powstałego kurzu może zagrażać życiu. Wynikiem tego może być chroniczne zatrucie berylem. Dłuższy kontakt może wywołać choroby nowotworowe. Rezystancja termiczna radiatorów podana jest zazwyczaj przy założeniu powierzchni czarnych i pionowym ustawieniu radiatora.
Jeżeli radiator jest zamontowany w ten sposób, że powierzchnia chłodząca będzie pozioma , wówczas rezystancja termiczna wzrasta o ok. 20%, a jeżeli powierzchnia promieniująca nie byłaby czarna lub matowo oksydowana, ale biała, to rezystancja termiczna wzrosłaby o ok. 15%. Tu należy zwrócić uwagę, że radiatory, które są oferowane w różnych kolorach mają też odpowiednio różne rezystancje termiczne.
Aby zwiększyć efekt chłodzenia można stosować wymuszone chłodzenie powietrzne przy pomocy dmuchawy. Inną metodą poprawiania chłodzenia jest stosowanie elementów Peltiera. W urządzeniach profesjonalnych stosuje się również radiatory z wydrążonymi kanałami, którymi przepływa ciecz chłodząca - woda lub freon.
W obwodach, w których powstają bardzo duże impulsowe straty mocy istotne znaczenie ma impedancja termiczna i pojemność cieplna radiatora. Jest ona zależna od czasu trwania impulsów i zależy od masy i bezwładności systemu. Dla bardzo krótkich impulsów termicznych rezystancja termiczna w obudowie ma decydujący wpływ na poprawną pracę urządzenia.
