Сколько тепла выделяет мой компьютер?

При грамотном проектировании ПК, одним из важнейших этапов этой работы является расчет системы охлаждения компьютера и теплового режима его узлов. И не только при проектировании в проектных организациях, а и при их доработках, разгоне и моддинге в домашних условиях. Правда в последнем случае эти расчеты могут иметь меньшую точность. У меня иногда возникает ощущение, что китайские корпуса просчитываются с еще меньшей точностью, если вообще просчитываются. И если Вам необходим компьютер работающий при любой температуре, при разгоне его узлов или имеющий низкий уровень шума, необходимо уметь посчитать его тепловыделение и сделать хотя бы ориентировочный расчет его теплообмена, но с обязательной последующей проверкой эффективности после выполнения конструкции. Обращаю Ваше внимание на то что точные расчеты требуют большого объема работы и опыта.

Вступление.

Существует несколько подходов к расчету тепловыделения в корпусе компьютера, но здесь хочу остановиться на четырех. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

1. По паспортным значениям потребляемой узлами мощности,

   Достоинство: доступность, простота.
   Недостатки: высокая погрешность и как результат, завышенные требования к системе охлаждение.

2. Просто пойти на сайт представляющий сервис для расчета тепловыделения (потребляемой мощности), выбрать нужные узлы и надеясь на современность их базы и правильность заложенных величин применить их результаты.

   Список сайтов позволяющих оценить тепловыделение:
   http://support.asus.com/PowerSupplyCalculator/PSCalculator.aspx?SLanguage=ru-ru
   http://www.overclockers.ru/download?486:psc_2.071.rar
   http://web.aanet.com.au/SnooP/psucalc.php
   http://www.casemods.ru/services/raschet_bloka_pitania.html
   http://www.coolermaster.com/support/psu_calculator.php
   http://www.casemods.ru/services/raschet_bloka_pitania.html
   http://www.emacs.ru/calc/

   И два одинаковых.

   http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp
   http://www.antec.outervision.com/

   Достоинство: не надо искать данные, они должны присутствовать в базах предлагаемых сервисов.
   Недостатки: базы не успевают за производителями узлов, часто они содержат недостоверные данные.
   В статье мы не будем его рассматривать, для его выполнения надо только знать адрес ресурса и состав узлов Вашего компьютера и время.

3. По потребляемой узлами мощности с учетом коэффициента тепловыделения и типовой загрузки узлов,

   Достоинство: более высокая точность (оптимальность).
   Недостатки: необходим большой объем информации или опыт, знание характеристик узлов, режимов работы ПК.

4. По результатам экспериментальных измерений приборами потребляемой мощности и тестов компьютера. Тестирование можно выполнить хотя бы крайних значений, тепловыделение в режиме покоя и при полной загрузке

   Достоинство: высокая точность величины для каждого типового режима работы.
   Недостатки: необходимость проведения специальных исследований и измерений.

 

Расчет потребляемой ПК мощности, по паспортным значениям потребляемой мощности узлов

Когда возникает вопрос «Сколько тепла выделяет мой компьютер?», мы пытаемся первым делом найти данные о тепловыделении узлов которые стоят в корпусе Вашего ПК. Но таких данных нигде нет. Максимум что мы находим это потребляемые узлами токи по цепям питания 3,3; 5; 12 В. Да и то не всегда.

Эти значения токов потребления чаще всего имеют пиковые значения и предназначены скорее для выбора блока питания, чтобы исключить его перегрузку по току.

Поскольку все устройства внутри компьютера питаются постоянным током, то нет проблем для определения пиковой (именно пиковой) мощности потребления Вашим узлом. Для этого просто определяется сумма мощностей потребляемых по каждой линии, путем перемножения тока и напряжения потребляемых по цепи (Обращаю Ваше внимание, никакие коэффициенты для пересчета не применяются — постоянный ток.).

 

P_сум = P_5v + P_12v = I_5v*U_5v + I_12v*U_12v

 

Как Вы понимаете это весьма приблизительная оценка, которая в реальной жизни почти никогда не выполняется, ведь не работают одновременно все узлы компьютера в пиковом режиме. Операционная система работает с узлами ПК по определенным алгоритмам. Информация читается — обрабатывается — записывается — какая-то ее часть выводится на средства контроля. Эти операции выполняются над пакетами данных.

В интернете имеется множество оценок именно величины пиковой мощности потребления взятой из характеристик узлов.

Те расчеты, которые сделаны 2-3 года назад, в принципе не соответствуют текущей ситуации. Потому что за эти годы производители модернизировали свои узлы что привело к снижению потребляемой ими мощности.

Последние данные приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.

 

Мы видим данные имеют очень широкий разброс, он определяется конкретной моделью Вашего узла. Узлы различных производителей, тем более произведенные в разное время имеют большой разброс потребляемой мощности. В принципе расчет вы можете сделать самостоятельно.

 

Расчет потребляемой ПК мощности выполняется в несколько этапов.

Это:

1. Сбор сведений о потребляемой узлом мощности,

2. Расчет общей потребляемой мощности и выбор БП,

3. Расчет суммарного потребления ПК (с учетом блока питания).

Составной частью расчета тепловыделения является расчет потребляемой компьютером мощности. Из которого определяется мощность блока питания, выбирается конкретная модель, после чего оценивается его тепловыделение. Поэтому выполняя тепловой расчет, приходится сначала собирать данные о потребляемой узлами компьютера мощности.

Но пока, даже потребляемая мощность не всегда приводится производителями узлов компьютера, иногда на табличке с параметрами приводится величина питающего напряжения и потребляемого тока по данному напряжению. Как уже говорилось выше, на постоянном токе, который применяется для питания узлов компьютера, произведение питающего напряжения на ток потребляемый по данному напряжению и говорит о потребляемой мощности.

Исходя из суммарной потребляемой мощности (приняв ее за мощность тепловыделения) можно выполнить предварительный или ориентировочный расчет системы охлаждения. Этот расчет обеспечит скорее избыточное охлаждения Вашего ПК, что в условиях большой его загрузки и соответственно максимального тепловыделения дает некоторое приближение к реальному тепловыделению и обеспечит нормальное охлаждение. Но когда ПК используется на обычных (не ресурсоемких) приложениях, рассчитанная таким образом система охлаждения явно избыточна, и обеспечивая нормальное функционирование узлов ПК, создает неудобства пользователю за счет повышенного уровня шума.

В первую очередь Вы должны знать, что потребляемая мощность и тепловыделение узлов имеют прямую связь.

Мощность тепловыделения электронных узлов не равна потребляемой мощности, но они связаны между собой через коэффициент потерь мощности узла.

Есть множество публикаций о том как выполнить этот расчет, в Интернет есть специальные сайты для этого расчета. Но до сих пор возникают вопросы при его выполнении.

Почему?

А потому что не только мощность тепловыделения сложно найти у производителя, но и даже мощность потребляемая интересующим нас узлом не всегда известна. Возможно они просто боятся их приводить в связи с тем что их величина не непостоянна в процессе работы и существенно зависит от режима работы. Разница может достигать десять раз и иногда даже больше.

Похоже они не хотят перегружать пользователей «ненужной» информацией. Да и данных для производителей я пока не нашел.

 

Учитываем коэффициент тепловыделения.

 

Коэффициент полезного действия.

Мощность тепловыделения обычных физических устройств (вентиляторов, двигателей электрических и механических) определяется через понятие КПД. Которое определяется как отношение полезной мощности (мощности затраченной на выполнение полезной работы) к мощности потерь (мощность которая уходит на преодоление трения, нагрев, ...). Но понятие КПД неприемлемо для электронных узлов. Их полезная работа не измеряется в ваттах или джоулях. Эффективность их работы определяет скорее производительность, которая неоднозначно связана с потребляемой мощностью. Правильнее назвать его "Коэффициент тепловыделения".

Коэффициента тепловыделения.

Для узлов ПК — чипов, микросхем и других широко известное понятие КПД не подходит, потому что часто невозможно оценить полезную мощность. Для этого лучше использовать коэффициент потерь мощности, который характеризует долю потребляемой узлом мощности переходящей в тепло.

 

К_т = P_тепл/P_потр

 

или

 

P_тепл = P_потр * К_т

 

Здесь: P_потр — мощность потребляемая узлом от источника питания, P_тепл — мощность тепловыделения узла, К_т — коэффициент тепловыделения.

Доля потребляемой мощности выводимая за пределы чипа в виде нужной нам информации незначительна, что и позволяет при грубых расчетах приравнять P_тепл и P_потр.

Мощности тепловыделения современных чипов определяется их загрузкой и характером работы.

Особенностью работы современных чипов процессоров и других микросхем является то что их TDP (мощность тепловыделения) производителями получается простым умножением напряжения питания чипа на его ток потребления. В соответствии с изложенными выше причинами это значение можно использовать для расчетов их тепловыделения. Но, как уже говорилось выше, она существенно зависит от режима работы чипа.

 

Ниже, в таблице 2, приведены ориентировочные значения К_т для различных узлов ПК.

№ пп	Узел	Кт	Пояснения
1	Процессор, чип	0,95 — 0,99	Мощность имеет тенденцию к росту
2	Инвертор (Встроенный источник питания)	0,72 — 0,89	Зависит от схемного решения и примененной элементной базы, с ростом мощности KT растет
3	Жесткий диск, HDD	0,95	Зависит от скорости привода, больше скорость — больше тепловыделение
4	CD/DVD - RW	0,8 — 0,95
5	FDD	0,8 — 0,95	Большее в режиме ожидания
6	Звуковая карта	0,5 — 0,85	Большее значение при малых Pвых
7	Вентилятор	0,7 — 0,9	Осевой вентилятор
		0,15 — 0,7	Центробежный вентилятор
8	Блок питания	0,78 — 0,85	Зависит от схемного решения и примененной элементной базы, с ростом мощности KT растет

Таблица 2.

К_т зависит от режима работы узла или его загрузки.

 

Системная плата как источник тепловыделения.

 

Для большинства не секрет, что системная плата обеспечивая работу узлов на ней установленных сама потребляет электроэнергию и выделяет тепло. Тепло выделяют северный и южный мосты чипсета, источники питания узлов компьютера, да и просто расположенные на ней компоненты электронных схем. Причем это тепловыделение тем больше чем производительнее Ваш компьютер. И даже в процессе работы тепловыделение меняется в зависимости от загруженности его узлов.

Чипсет.

Наибольшее тепловыделение имеет чип северного моста, который обеспечивает работу процессора с шинами. И часто и работу с модулями память (в некоторых моделях современных процессоров эту функцию выполняют они сами). Поэтому их мощность тепловыделения может доходить от 20 до 30 Вт. Производитель обычно не указывает их тепловыделение, как вообще суммарное тепловыделение системной платы.

Косвенным признаком высокого тепловыделения является наличие инвертора для его питания в непосредственной близости от него и усиленной системы охлаждения (вентилятор, тепловые трубки). Не забывайте, питание и охлаждение должны обеспечивать нормальную работу чипсета при максимальной производительности.

Сейчас на одну фазу такого источника питания приходится до 35 Вт выходной мощности. Фаза источника питания имеет в своем составе пару транзисторов MOSFET, дроссель и один или несколько оксидных конденсаторов.

Память.

Современные модули быстродействующей памяти тоже имеют достаточно большое тепловыделение. Косвенным признаком этого является наличие отдельного источника питания и наличие дополнительного теплоотвода (металлических пластин) установленного на чипы памяти. Мощность тепловыделения модулей память зависит от его емкости и рабочей частоты. Она может достигать 10 — 15 Вт на модуль (или 1,5 — 2,5 Ватт на чип память находящийся на модуле в зависимости от производительности). Источник питания памяти рассеивает мощность 2 — 3 Вт на модуль памяти.

Процессор.

Современные процессоры имеют потребляемую мощность до 125 и даже 150 Вт (потребляемый ток доходит до 100 А), поэтому они питаются от отдельного источника питания содержащего до 24 фаз (ветвей) работающих на одну нагрузку. Мощность рассеиваемая источником питания процессора для таких процессоров доходит до 25 — 30 Вт. В документации на процессор часто указывается параметр TDP (thermal design power) характеризующий тепловыделение процессора

Видеокарта.

На современных системных платах нет дополнительных источников питания для видеокарт. Они располагаются на самих видеокартах поскольку их мощность существенно зависит от режима работы и применяемых графических процессоров. Видеокарты имеющие дополнительные источники питания (инверторы), питаются через дополнительный отвод БП напряжением +12 В.

 

Элементная база системной платы, как источник тепла.

В связи с ростом количества внешних устройств, растет и количество внешних портов, которые могут использоваться для подключения внешних устройств не имеющих собственных источников питания (например внешние HDD на USB портах). На один USB порт до 0,5 А, а таких портов может быть до 12. Поэтому на системной плате сейчас часто устанавливаются дополнительные источники питания для их обслуживания.

Нельзя забывать что тепло выделяет, в той или иной мере, все радиоэлементы установленные на системной плате. Это специализированные чипы, резисторы, диоды и даже конденсаторы. Почему даже? Потому что считается что на конденсаторах работающих на постоянном токе мощность не выделяется (если не считать незначительной мощности вызванной токами утечки). Но в реальной системной плате нет чистого постоянного тока — источники питания импульсные, нагрузки динамические и всегда присутствуют переменные токи в их цепях. И тогда начинает выделяться тепло мощность которого зависит от качества конденсаторов (величины ESR) и величины и частоты этих токов (их гармоник). А число фаз инверторного источника питания процессора достигло 24 и нет предпосылок к их снижению на качественных системных платах.

Суммарная мощность тепловыделения системной платы (только ее одной!) может достигать в пике — 100Вт.

 

Тепловыделение встроенных на системной плате источников питания .

Дело в том что сейчас, с ростом мощности потребляемой узлами компьютера (видео карта, процессор, модули памяти, чип сеты северного и южного моста) их питание осуществляется от специальных источников питания расположенных на материнской плате. Эти источники представляют сбой многофазные (от 1 до 12 фаз) инверторы работающие от источника 5 — 12В и питающие заданным током (10 — 100 А) потребители при выходном напряжении 1 — 3В. Все эти источники имеют КПД порядка 72 — 89 % в зависимости от применяемой в них элементной базы. У разных производителей применяются разные методы отвода выделяющегося тепла. От простого отвода тепла на материнскую плату с помощью пайки транзисторов ключей MOSFET на печатный проводник на плате, до специальных охладителей на тепловых трубках с использованием специальных вентиляторов.

Встроенный источник питания представляет собой обычный инвертор, при многофазном включении это несколько (количество соответствует числу фаз) синхронизированных и сфазированных, работающих на одну нагрузку инверторов.

 

Пример оценки тепловыделения в цепочке "процессор - многофазный инвертор - блок питания".

Расчет мощности тепловыделения в цепочке "процессор - многофазный инвертор - блок питания"выполняют исходя из мощности конечного потребителя в цепочке "процессора".

Дело в том что сейчас, с ростом мощности потребляемой узлами компьютера (видео карта, процессор, модули памяти, чип сеты северного и южного моста) их питание осуществляется от специальных источников питания расположенных на материнской плате. Эти источники представляют сбой многофазные (от 1 до 12 фаз) инверторы работающие от источника 5 — 12В и питающие заданным током (10 — 100 А) потребители при выходном напряжении 1 — 3В. Все эти источники имеют КПД порядка 72 — 89 % в зависимости от применяемой в них элементной базы.
Встроенный источник питания представляет собой обычный инвертор, при многофазном включении это несколько (количество соответствует числу фаз) синхронизированных и сфазированных, работающих на одну нагрузку инверторов.
У разных производителей применяются разные методы отвода выделяющегося тепла. От простого отвода тепла на материнскую плату с помощью пайки транзисторов ключей MOSFET на печатный проводник на плате, до специальных охладителей на тепловых трубках с использованием специальных вентиляторов.
Примерный расчет тепловыделения по цепочке питания.

Рассмотрим эту цепочку.

Результатом рассмотрения будет ответ на вопрос: "Какая мощность выделяется на источнике питания устройства расположенного на системной плате?"

Возьмем для примера процессора AMD Phenom™ II X4 3200, который имеет потребляемую мощность в пике (TDP) – 125 Вт. Это, как уже писалось выше, с достаточно высокой точностью его тепловыделение.

Многофазный инвертор от которого питается указанный выше процессор, практически не зависимо от количества фаз, при КПД = 78% (обычно), выделяет тепла 27,5 Вт в пике.

Итого общее тепловыделение в цепи питания процессора AMD Phenom™ II X4 3200 и источника его питания (инвертор) в пике достигает 152,5 Вт.

Доля тепловыделения в БП приходящаяся на этот процессор составит (с учетом КПД БП) более 180 Вт в пике нагрузки процессора.

Для расчета доли мощности (тока) питания приходящегося на данную цепь для БП используется суммарная мощность — 152,5 Вт. Чтобы переводить данную мощность надо знать от каких напряжений питается данная цепь. А это зависит не столько от процессора и блока питания (БП), сколько от конструкции материнской платы. В случае если питание осуществляется от напряжения 12В рассчитывают по суммарной мощности потребляемой в данной цепи, переведя эту мощность в ток и получим, при напряжении цепи 12В, суммарный ток потребляемой от БП для цепи питания процессора равен — 12,7А.

 

Проверка эффективности  системы охлаждения собранного вами компьютера.

Как уже говорилось выше, проверкой правильности выполненных Вами расчетов тепловыделения и выбора конструкции корпуса будет проверка ваших расчетов и эффективности выбранной Вами системы охлаждения.

Проверка заключается в контроле температуры узлов (основных) Вашего компьютера. Она не должна превышать максимальной температуры определенной их изготовителями. И даже иметь некоторый запас (на мой взгляд порядка 20°С). этот запас позволит обеспечить бесперебойную работу Вашего компьютера в критических условиях. Это могут быть запыленные воздушные фильтры, новые более ресурсоемкие приложения которые Вы установили на ПК и даже просто летняя жара.

 

Заключение.

 

Как Вы поняли, при современных тепловыделениях узлов, расчет потребляемой Вашим компьютером мощности, при его моддинге и самостоятельной сборке, надо делать всегда. Он нужен для выбора блока питания, одного из важнейших устройств компьютера, и в конечном счете оценки суммарной мощности потребляемой Вашим компьютером.

Полученную мощность потребления можно использовать как максимально возможную мощность тепловыделения, с учетом того что мощность тепловыделения всегда ниже потребляемой мощности.

Если у Вас достаточно опыта для определения круга задач выполняемых Вашим компьютером, загрузки его узлов и оценки их тепловыделения при работе, то Вы можете оценить его тепловыделение с точностью выше, чем та, которую дает расчет по потребляемой мощности.

Но пока невозможно, из-за широкой номенклатуры узлов и их производителей, с высокой точностью рассчитать мощность тепловыделения компьютера. Это возможно только при моделировании конкретного конструктивного решения и широкого комплекса измерений его характеристик, включая режимы тепловыделения и теплообмена. В производственных условиях эта процедура называется комплексом заводских испытаний.

Выходом для модерра или сборщика может быть:

• измерение потребляемой мощности,

• расчет по потребляемой мощность,

В последнем случае получаем избыточное тепловыделение, соответственно избыточный воздухообмен. Для его оптимизации рекомендую применять электронных регуляторов числа оборотов вентиляторов. Это позволит снять избыточность воздухообмена и снизить уровень шума системы вентиляции.

Применение регуляторов оборотов вентиляторов охлаждения с мониторингом скорости вращения и температур, кроме прямой функции регулирования расхода воздуха через охлаждаемые объекты, позволяет еще и создать мониторинг температур по критическим точкам Вашего компьютера.

 

P.S.

И последнее, поскольку обеспечить, в таком широком диапазоне тепловыделения, устойчивую работу систем охлаждения затруднительно, я бы рекомендовал на постоянной основе ввести в конфигурацию Вашего компьютера контроллер мониторинга и управления вентиляторами. Это обеспечит примерно 3х кратную регулировку расхода воздуха через охлаждаемые узлы и мониторинг температур в критических точках.
 

Литература.

1. Измерение мощности, Г.П. Манин, М-Л, Энергия, 1965

2. Измерение энергопотребления компьютеров, Олег Артамонов, http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/tower/6484, 28.04.2003

октябрь 2008 года.

Сорокин А.Д.

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>