Использование элементов Пельтье и водопроводного охлаждения
для разгона Radeon X800

Антон Васильев (Anton)

20.06.2005

Статья посвящена, главным образом, разгону видеокарты. Прежде всего, считаю нужным разъяснить, зачем я этим занимался. Чаще всего, к разгону прибегают в двух случаях:

• Экономия денег. Можно купить дешёвую деталь и повысить её быстродействие до уровня более дорогой посредством разгона.
• Старая деталь перестала удовлетворять возросшим требованиям, а денег на новую нет. Тогда стараются разогнать ее, скомпенсировав отчасти её недостаточность.

Если Вас интересуют уже перечисленные аспекты, можете не тратить время на дальнейшее чтение. Меня вдохновляли другие стимулы:

• Если деталь может работать быстрее, почему бы ей этого не делать? Если забор стоит недостаточно прямо, добрый хозяин поправит его. По этой причине можно разгонять и старое «железо». Дело не в деньгах, а в том, что любое устройство обязано работать максимально хорошо, если есть, кому за этим следить.
• Так случилось, что я начал работать с компьютерами, когда дисплеи были ещё чёрно-зелёными. Переход к шестнадцати, а потом 256-ти цветам были для меня долгожданными прорывами, новой эрой. Потом палитра 2D стала 24-х битной, и появились 3D графические ускорители (Voodoo 1). Я хочу видеть графику завтрашнего дня с высоким разрешением и максимально возможным качеством. А вот для этого возможностей существующих видеокарт не хватает. Вообще, современная трёхмерная графика ещё очень далека от реального изображения. Мы имеем в ней сплошные суррогаты и эмуляции реальных оптических явлений, потому что существующего быстродействия катастрофически мало.
• Мне нравится процесс разработки нового «железа» с параметрами, которые были ранее недоступны. Я не участвую в разработке видеокарт, но могу вмешаться в уже готовую их конструкцию и изменить условия работы, оптимизируя их параметры в соответствии со своими требованиями и желаниями. Таким образом, я получаю своё собственное изделие. И немалое удовольствие от процесса его подготовки.
• Не надо забывать о спортивной стороне вопроса. Каждый человек хоть в какой-то мере честолюбив.

В общем случае, разгон может быть основан на следующих факторах:

• Разброс свойств изделий. Все изделия имеют неизбежный технологический разброс. Если у Вас есть возможность протестировать партию изделий, появляется возможность выбрать экземпляр с наилучшими свойствами. Если такой возможности нет, остаётся уповать на удачливость. Я не связан с продажей комплектующих, поэтому данный пункт не для меня.
• Запас, сделанный производителями на этот разброс. Для того, чтобы все изделия партии удовлетворяли заявленным параметрам, производитель занижает эти декларируемые параметры. Поэтому, скорее всего, конкретный экземпляр согласится работать на более высоких частотах, но выигрыш, опять-таки, случаен. Кстати, при невезении его может вообще не оказаться. Определяя и используя этот резерв, необходимо оставить некоторый запас для надёжности работы. Работа на самой границе не может быть абсолютно стабильна. Предпочитаю не поступаться надёжностью.
• Разброс условий эксплуатации изделий. Правильно вентилируемыми корпусами оснащены только некоторые компьютеры, а видеокарты должны работать (в идеале) у всех. Поэтому производители закладывают в них большой запас по надёжности. При наличии хорошо вентилируемого корпуса можно использовать этот резерв для разгона. Однако, иногда (летом, например) температура воздуха может подниматься, поэтому полезно заранее подумать, что произойдёт в таком случае.
• Скорость работы видеокарты ограничена, главным образом, её нагревом и отводом тепла от неё. Если модернизировать систему охлаждения, можно получить большой запас и для надёжности, и для разгона. При этом не происходит сокращения срока службы изделия, как в трёх предыдущих пунктах.
• Максимальная частота работы полупроводниковых ключей растёт при увеличении напряжения питания. Однако при этом резко (как минимум, в квадрате) растёт тепловыделение. Производители не могут это использовать и даже иногда занижают напряжение питания, так как ограничены условиями отвода тепла. Но, воспользовавшись предыдущим пунктом, можно прибегнуть к повышению напряжения питания (вольтмоду) для повышения максимальной рабочей частоты.

Именно последние два пункта и будут главной темой дальнейшего повествования.

Подопытным объектом стала видеокарточка Sapphire Х800 ХТ РЕ. На момент покупки (январь 2005) это была самая быстрая карточка на чипах от ATI. Она имеет референсный дизайн, но выполнена на фирменном синем текстолите. Значения частот ядра/памяти по умолчанию - 520/560 МГц. На кристалле написано:

Хотя номинальное напряжение питания должно быть 1,300 В, измерение показало 1,406 В. Таким образом, Сапфир изначально поднимает это напряжение для повышения стабильности. Память Samsung K4J55323QF-GC16 в 144-х контактных FBGA корпусах. Её паспортная частота 600 МГц. Здесь и далее я буду писать только реальную частоту тактирования, игнорируя всякие маркетинговые трюки с её удваиванием. Номинальное напряжение как её ядра (VDD), так и буферов (VDDQ) – 2,0 +0,1 B. Реальные напряжения оказались VDD = 2,07 B и VDDQ = 2,00 B. Обратите внимание, VDD > VDDQ. Это обязательное условие взято мной из описания микросхемы.

Карточка устанавливалась на материнскую плату ASUS P4C800-E Deluxe. Процессор P4 - 3 ГГц, разогнан до 3,9 ГГц увеличением частоты системной шины до 260 МГц. Память 2х512 Samsung работает в двухканальном режиме на частоте шины.

Описываемая система не возникла внезапно из ничего, а явилась результатом эволюции. Скорее всего, никто не станет повторять её полностью, прочитав эту статью. Зато отдельные этапы, узлы и моменты могут быть полезны. Поэтому я продолжу повествование хронологически с момента установки новой карточки в корпус.

Сначала я испытал её в родном исполнении. С фирменным радиатором её ядро согласилось разогнаться до 563 МГц, но нагрелось до 75° C, память разогналась до 580, а «ambient» температура достигла 54° C. И это в модернизированном корпусе, в боковую стенку которого напротив карточки врезан (дует внутрь) двенадцатисантиметровый вентилятор!

Автономная водяная система охлаждения стояла у меня в компьютере уже давно, поэтому следующим естественным шагом стало подключение карточки к ней. Фотографию корпуса я привёл на следующем рисунке:

Кликните по картинке для увеличения [330 KB]

Со стандартным ватерблоком от Aquarius II, получил на ядре 574 МГц (t=48° C). Память стала меньше греться от ядра и поэтому разогналась до 597 МГц. Фотография несколько забегает вперёд, так как на ней запечатлена уже оборудованная элементами Пельтье карточка. Под красными цифрами 1 и 2 на рисунке находятся (закрыты сверху пенопластовыми пластинами) 8-ми сантиметровые многолопастные малошумящие вентиляторы от Zalman, вытягивающие воздух из корпуса через радиаторы охлаждения воды. Зелёной цифрой 3 обозначена помпа, объединённая с расширительным бачком. Система охлаждения охвачена отрицательной обратной связью по температуре, плата которой отмечена сиреневой цифрой 4. Она управляет вентиляторами 1 и 2 (и вентилятором на боковой стенке) так, что при температуре воды 28° C они только начинают вращаться, а при 32° C – выходят на максимальные обороты. Схема самодельная, датчик температуры выполнен на германиевом транзисторе ГТ403. Сигналом является обратный ток коллектора, имеющий экспоненциальную температурную зависимость, при висящей в воздухе базе. Водяным контуром охвачен и самодельный ватерблок, установленный на северный мост чипсета (жёлтая пятёрка). Обратите внимание на стопку из пяти винчестеров, обозначенных синей шестёркой. Это три "барракуды" по 200 ГБ (7200 об/мин) и два "раптора" (10 000 об/мин), для охлаждения которых потребовались два вентилятора (виден только один под голубой цифрой 7). "Рапторы" образуют data striping массив, на котором стоит система, две "барракуды" объединены в data mirroring массив с архивными и прочими пользовательскими данными. Ещё одна "барракуда" с парой установленных на ней операционных систем используется для экспериментов. К охлаждению этого добра мы ещё вернёмся.

Чтобы разогнать карточку сильнее, приступаем к вольтмоду. Так называют изменение (обычно подъём) напряжения питания разгоняемых элементов. Начнём с графического процессора (ядра). Для его питания (как и на 9800 ХТ, между прочим) стоит импульсный стабилизатор на FAN5240 от Fairchild. Особенность этой микросхемы в том, что выходное напряжение задаётся не только резистивным делителем, но и в цифровом виде нулями и единичками на ногах 7 – 11, в соответствии со следующей таблицей (фрагмент):

При номинальных (рекомендуемых производителем микросхемы) значениях элементов обвязки, на выходе стабилизатора будут напряжения, указанные в столбце «коэффициент». Однако производители карточки используют другие номиналы резистивных делителей, поэтому комбинация управляющих сигналов 11011 (это исходная для моей видеокарточки распайка) обеспечивает напряжение 1,406 В вместо 1,000 В. Таким образом, значения в предпоследнем столбце следует рассматривать только как коэффициент, на который нужно помножить номинальное напряжение, чтобы узнать его новое (для другой комбинации управляющих сигналов) значение. Управлять этой микросхемой цифровым способом правильнее и удобнее, чем резисторами (как поступают обычно), потому что:

• Её разработчики рассчитывали её именно на это.
• Управляя резисторами, необходимо делать это одновременно и для напряжения и для максимального (защита) тока, т.е. в двух местах.
• Метод обеспечивает прецизионно точный и предсказуемый результат без карандаша и дополнительных сопротивлений.

Для повышения напряжения, отпаял и приподнял восьмую ногу, загнул её в сторону девятой и припаял восьмую к девятой. Таким образом, сигнал на восьмой ноге изменился с 1 на 0. Это соответствует напряжению (коэффициенту, предпоследний столбец таблицы) 1,200 В. Но, так как это лишь коэффициент, на выходе получилось 1,406 * 1,200 = 1,6824 вольта, на чём пока остановился. Внимание! Так сильно повышать напряжение можно лишь при использовании очень (!) хорошего охлаждения. Карточка благодарно отнеслась к повышению напряжения на ядре и разогналась с 574 до 650 МГц. При этом его температура выросла с 48° C до 55° C (при температуре воды - 32° C). Если учесть, что на исходной карточке со штатным охлаждением ядро разогревалось выше 75° C, такая переделка должна продлить её срок службы как минимум в 4 раза! (это о вреде разгона ).

Кликните по картинке для увеличения [57 KB]

Дело происходило зимой, на улице стоял мороз минус 8° C, а мне хотелось узнать, как карточка ведёт себя при понижении температуры, поэтому я пустил через воздухозаборник (вентилятор на боковой стенке) компьютера уличный воздух с помощью проведённого к форточке гибкого вентиляционного рукава. Подвиги, вроде вылезания с системником на балкон, не для меня. Температура воды, точнее спирто-водяной смеси, в результате понизилась до 0° C. Разгон ядра вырос до 675 МГц. Память разогналась с 594 до 612 МГц. Таким образом, память от охлаждения выигрывает не сильно. Не смущайтесь зеленью за окном, я сделал эту фотографию только сейчас специально для данной статьи, текст которой и виден на экране монитора.

Попробовал ещё увеличить напряжение на графическом ядре. Для этого поднял и десятую ножку стабилизатора напряжения, соединив её с девятой. Управляющие сигналы стали 10001 вместо 11011 исходных. Это уже соответствует коэффициенту 1,25, и выходное напряжение стало 1,7509 вольт. На этот раз разгон увеличился незначительно – с 650 до 653 МГц, но ядро разогрелось с 55° C до 60° C. Выходит, что достигнутый разгон был почти «съеден» возросшей температурой. Таким образом, дальнейший подъём напряжения без радикального улучшения охлаждения нецелесообразен.

Следующим шагом стала модернизация видеопамяти. Первым делом, смонтировал радиаторы на неё. Те, кто соберётся это повторять, имейте в виду:

• Положения чипов памяти с двух сторон платы не совпадают. Они установлены не друг над другом, а смещены.
• Три дырки вокруг них с трудом пропускают винт М2,5. Не уверен, что их можно рассверливать до 3 мм. Таким образом, надо запастись винтиками и гаечками М2 – М2,5.
• Монтируемые на плату детали удобнее всего проектировать и примерять не на саму плату, а на напечатанную в масштабе 1:1 её фотографию. Хорошие фотографии платы можно взять из какого-нибудь обзора, например с IXBT.

На следующем рисунке приведено фото радиаторов на чипы памяти вместе с их креплением, согнутым и спаянным из проволоки от толстых канцелярских скрепок. Всё это разложено на рабочей распечатке изображения платы.

Кликните по картинке для увеличения [74 KB]

С вольтмодом памяти возникли проблемы. Микросхемы памяти имеют два отдельных питания:

VDD – напряжение питания ядра памяти, матрицы запоминающих ячеек и

VDDQ – напряжение питания буферов ввода вывода.

По имеющимся же у меня ссылкам расположение микросхем стабилизации VDD и VDDQ перепутаны. Думаю, что причина путаницы связана с изменением местоположения этих стабилизаторов при переходе от Radeon 9800 к Х800. Для поиска нужных цепей и установки напряжений следует пользоваться главным правилом: VDDQ < VDD. Т.е. VDDQ обязательно должно быть меньше VDD! Оба стабилизатора напряжений питания памяти одинаковы, выполнены на микросхеме ISL6522 от Intersil и расположены на дальней от видеовыходов кромке платы на стороне, обратной графическому чипу.

Кликните по картинке для увеличения [103 KB]

За VDD отвечает стабилизатор, который расположен дальше от разъёма дополнительного питания и ближе к разъёму AGP, т.е. к материнской плате (красный цвет). Стабилизатор VDDQ, наоборот, находится ближе к разъёму питания и дальше от материнки (зелёный цвет). Исходные напряжения у меня оказались VDDQ = 2,00 В, VDD = 2,07 В. Измерять их лучше всего на керамических конденсаторах обвязки памяти. Таких конденсаторов там достаточно, в том числе и на наиболее доступном дальнем от AGP крае платы. Просто надо найти там 2,00 вольта – это VDDQ и 2,07 вольта - это VDD, отметить эти точки (показаны на рисунке) и использовать для измерения. Поднимать надо оба напряжения. Для этого можно подпаять к ногам 5 и 7 микросхем (отмечены на рисунке) переменные сопротивления (например, 20кОм). Наилучший разгон у меня получился при VDD = 2,30 вольт, VDDQ = 2,20 вольт. При этом память разогналась с 594 до 616 МГц. Увеличение, как и уменьшение VDD уменьшает разгон. При сокращении или увеличении разницы напряжений VDD - VDDQ разгон тоже падает. VDDQ отвечает за размах и крутизну импульсов сигналов на шине графический чип - память. Создаётся ощущение, что бутылочным горлышком является скорость работы этой шины. Т.е. разгон связан с возрастанием VDDQ, а подъём VDD является вынужденным и только мешает общему разгону, разогревая кристаллы. Стабилизатор Vref я не нашёл... Интересно, что согласно мануалу на память, Vref должно быть 70% от VDDQ, а не 50%, как в применявшихся ранее микросхемах.

В подъёме напряжений я достиг потолка, и дальнейший разгон остался возможен только при более сильном охлаждении. Я выбрал для этой цели охлаждение с помощью элементов Пельтье. По сравнению с фреоновым охлаждением, они имеют несколько преимуществ (твердотельная конструкция, не содержат сложных механических и подвижных деталей, высокая надёжность, совершенная бесшумность и компактность) и лишь один недостаток – низкий КПД. Т.е. при работе потребляют много энергии, которая уходит в тепло.

Напомню, что эффект выделения тепла (или его поглощения, в зависимости от направления тока) на контакте двух различных проводников был открыт Ж. Пельтье в 1834. Сейчас для повышения КПД вместо проводников используют полупроводники. Количество переносимой теплоты Q = T * Δα * I, где Т – абсолютная температура спая, Δα – разность термоэлектрических коэффициентов проводников и I – ток через спай. Наиболее важным моментом здесь является то, что хладопроизводительность элемента пропорциональна только току, а не подводимой мощности (квадратичная зависимость от тока). Таким образом, КПД элемента выше при маленьких тепловых нагрузках. Т.е. если отводимое тепло разделить между возможно большим числом элементов, то эффективность теплоотвода возрастёт. Эффективность элемента снижается при его нагреве.

Видеокарта X800 оказалась весьма удобной для установки сразу нескольких элементов Пельтье. На следующем рисунке изображён медный теплопровод, связывающий видеопроцессор и микросхемы памяти с холодными сторонами элементов Пельтье. Он спаян из деталей, вырезанных ножовкой и напильником из медного листа 3 мм толщиной.

Кликните по картинке для увеличения [60 KB]

Для уменьшения теплового сопротивления потокам тепла вдоль пластины, в районе чипа её толщина увеличена до 6 мм. Я использовал отечественные элементы Пельтье СР1.4-127-045L. Они имеют форму квадрата со стороной 4 см. Главным параметром элемента является его максимальная мощность, составившая в моих элементах 70 Вт. Эту хладопроизводительность они обеспечивают при токе 8,5 А и напряжении 15,5 В (132 Вт). На горячей стороне каждого элемента тогда выделяется 132 + 70 = 202 Вт! Необходимо помнить, что 70 Вт это мощность, прокачиваемая элементом при нулевой разнице температур между его сторонами. Т.е. при такой высокой нагрузке он становится бесполезен (хоть не мешает!), но сильно потребляет, греется и его надо охлаждать. Чтобы от него появилась польза, ему нужно прокачивать мощность значительно меньшую, чем его максимальная.

Кликните по картинке для увеличения [127 KB]

Поэтому я разместил со стороны видеопроцессора 4 элемента (4 * 70 = 280 Вт, больше туда не влезет) и ещё один поставил на другую сторону платы для охлаждения установленной там памяти. Хоть в паспорте элемента и значится максимально достижимая разность температур в 71° C, не следует обольщаться, это возможно только при нулевой прокачиваемой мощности. Под реальной тепловой нагрузкой достижимая разность температур много меньше.

Особой проблемой является отвод тепла от горячей стороны элементов. Ватерблок для их охлаждения был спаян из трёх медных пластин, как показано на рисунке.

Кликните по картинке для увеличения [6 KB]

Лабиринт выпилен обычным лобзиком. Толщина пластин – 3 мм, ширина каналов для воды – 12 мм и ширина перегородок между ними – 8 мм. Оказалось, что даже при питании элементов пятью вольтами вместо 12, они выделяют столько тепла, что автономная водяная система охлаждения больше не справлялась с нагрузкой. Пока работала система регулировки температуры воды, создавалась иллюзия её чрезвычайной мощности. Действительно, при изменении частот работы и степени нагрузки видеокарты и центрального процессора, температура воды была стабильной и не превышала 32° C. Но теперь она разогревается выше 45° C и перестала стабилизироваться даже при работающих на максимальной скорости вентиляторах. Кроме того, перестало хватать производительности помпы. Водяной контур у меня был устроен так: помпа, видеокарточка, северный мост, 1-й радиатор охлаждения воды, процессор, 2-й радиатор охлаждения воды, помпа. Теперь, на участке видео - северный мост между радиаторами охлаждения воды стало выделяться около 300 Вт тепла и это привело к заметной разнице температур на начале этого участка и его конце.

На самом деле, любая автономная система водяного охлаждения остаётся воздушной, так как вода всё равно охлаждается воздухом. Смысл использования воды заключается только в том, чтобы перенести тепло из мест, которые воздухом охлаждать неудобно (процессор и видеокарточка) туда, где это делать легко – к радиатору охлаждения воды. Количество унесённого из корпуса тепла пропорционально расходу воздуха и его температуре. Либо мы увеличиваем воздушный поток (чрезмерный шум), либо повышаем температуру выхлопа (а значит и воды – ухудшение охлаждения). Бесшумную и не сосущую тонны пыли систему сделать таким образом нельзя в принципе! Однако есть простой выход – использование для охлаждения компьютера водопроводной воды.

Здесь меня могут упрекнуть в расходе такого драгоценного ресурса, как питьевая вода. Действительно, если бы я жил в Сахаре, то не стал бы прибегать к этому методу охлаждения. Мнение оппонентов о драгоценности чистой воды (и их самих) я обещаю припомнить, когда попаду под проливной или многодневный дождь или буду переходить вброд пятый раз за день горную речку. Живу я, слава богу, не в Сахаре. Использованная мной вода не исчезает, а продолжает течь в долине той же реки, из которой она первоначально была взята. Очистка и подъём воды на высоту квартиры мной оплачены. Причём, есть подозрение, что оплачены с лихвой (особенно, принимая во внимание тот мусор, который идёт у меня вместе с водой и остаётся на фильтрах).

Всё, что нужно для подключения к водопроводу изображено на следующем рисунке и легко приобретается в сантехническом магазине или на строительном рынке.

Кликните по картинке для увеличения [165 KB]

Зелёной единичкой (1) отмечен шаровой кран, которым можно быстро открыть и закрыть воду в аварийной ситуации или для демонтажа остальных деталей без нарушения плавной регулировки расхода. Этот кран подключён к трубе холодной воды с помощью специального ответвителя для стиральных машин. Он через резиновое уплотнение охватывает трубу, в которой просверлено небольшое отверстие. Красной двойкой (2) обозначен электроклапан для стиральной машины. Устроен он дёшево и сердито (надёжно). Сердечник соленоида перекрывает там малюсенькую дырочку (менее 1 мм!). При подаче напряжения (220 В, белый провод) на клапан, он втягивается в катушку и открывает эту дырочку. Знаете, сколько воды пролетает в эту малюсенькую дырочку, когда клапан открывается? Ну, в общем, так ужасающе много нам не нужно, поэтому пришлось добавить изящный краник, отмеченный синей цифрой 3, который осуществляет тонкую регулировку расхода воды. После этого краника можно не беспокоиться о высоком давлении воды. Его там больше нет (если не передавливать трубки струбциной).

Кликните по картинке для увеличения [66 KB]

Поэтому для транспортировки воды в компьютер можно воспользоваться гибкими тоненькими трубочками. Направление потока воды отмечено на рисунке чёрными стрелками, сливная трубочка идёт в канализацию. В комнату воду доставляют две (туда и обратно) очень гибкие прозрачные трубки из пластифицированного поливинилхлорида внутренним диаметром 5 мм (надеваю их на отрезки медных трубок 6 мм диаметром). Параллельно трубочкам идёт двужильный провод питания электроклапана. Длина магистрали - 11 метров (из туалета, в кухню, к розетке в стене, отделяющей кухню от комнаты и в комнату). Розетка у меня оказалась наиболее подходящей дыркой в капитальной бетонной стене. Не есть ли это прототип розетки будущего? Через неё не только приходит электричество, но и уходит избыточное тепло.

Обратите внимание, что при использовании внешней воды, больше не нужны многие из установленных ранее вентиляторов и появляется перспектива сделать компьютер совершенно бесшумным. Самым громким узлом у меня оставались вентиляторы для обдува стопки винчестеров. Причём, снизить скорость их вращения было нельзя. Ведь за несколько часов интенсивной работы верхний из винчестеров разогревался до 60° C, а я нигде не хочу жертвовать надёжностью или сроком службы. Поэтому решил охлаждать их водой.

Кликните по картинке для увеличения [128 KB]

Семь бед – один ответ! Вода уже проведена, и ею теперь можно охлаждать всё, что угодно. Я привёл здесь фотографию получившейся конструкции. Передняя стенка корзины для винчестеров вырезана лобзиком и заменена алюминиевой пластиной. Эта пластина взята от фабричной системы охлаждения винчестера, которая предназначалась для его установки в 5-ти дюймовый отсек. Она имеет продольные отверстия, в которые я вклеил U-образную медную трубку для воды. Передние боковые стенки винчестеров перед установкой пластины намазаны термопастой. Теперь температура самого горячего (верхнего) винчестера никогда не превышает 33° C, а в корпусе остался единственный вентилятор – в блоке питания. Но его обороты автоматически регулируются в зависимости от температуры. В результате компьютер стал практически бесшумным.

Элементы Пельтье хорошо охлаждают ядро, но температура датчика «ambient» достигает под нагрузкой 54° C. В покое она быстро спадает. Датчик расположен не далеко от стабилизатора питания ядра. Там сильно греются при повышении частоты, как полевые ключи стабилизации напряжения, так и дроссели. Они выполнены на хитрых ферритовых сердечниках прямоугольной формы. Есть опасение превысить ток магнитного насыщения этих катушек. Дело в том, что этот ток может расти не только от подъёма напряжения, но и от роста тактовой частоты и нагрузки ядра. Именно он может поставить барьер разгону.

Кликните по картинке для увеличения [79 KB]

Для охлаждения этих элементов пришлось изготовить сложной формы ватерблок, который перекрывает 6 сборок полевых ключей и две сильно гревшиеся раньше катушки. Последние имеют замкнутый ферромагнитный сердечник и радиаторы не должны нарушать их работу. В результате, эта часть платы стала холодной, а датчик "ambient" температуры теперь не показывает выше 35° C.

Придумал, как обойтись без реле для включения электроклапана (220 В). Это решение будет также полезно и тем, кто использует аквариумные помпы на 220 В. Поможет сетевой фильтр Defender DFS 801. Он имеет одну выделенную розетку (master) и несколько других (slave). Компьютер включается в розетку master, фильтр изначально подаёт питание только на неё, а на остальных (туда включены монитор, внешний модем, акустика, слайдосканер а теперь добавился электроклапан) напряжение появляется только при заметном потреблении (чувствительность регулируется) из первой розетки. Таким образом, реле не нужно – жму пробел на клаве - начинается загрузка компа – автоматически включаются все остальные розетки. С помощью такого фильтра легко можно подключать к компьютеру дополнительные блоки питания (зелёный пусковой провод в их жгуте надо соединить с любым чёрным земляным) – они будут автоматически включаться и выключаться одновременно с основным.

На промежуточных стадиях эксперимента я запитывал элементы Пельтье от 5 вольт основного блока питания. Однако их прожорливость требует отдельного питания. Кроме того, оно должно быть регулируемым. Дело в том, что ненагруженная в 3D карточка (при отображении рабочего стола, например) выделяет мало тепла, и элементы Пельтье легко остужают её до отрицательных температур, что грозит выделением конденсата на плате, кроме того, элементы при этом совершенно зря потребляют много энергии. В этом случае, напряжение на них можно сильно понизить. С другой стороны, при интенсивной нагрузке, питание элементов должно быть максимальным. Пришлось разобраться с устройством блоков питания. У меня под рукой нашлись 4 различных блока, но их конструкции оказались очень близкими. На следующем рисунке я привёл схему типичного блока питания.

Кликните по картинке для увеличения [55 KB]

Это не моя схема, я скачал её из Сети, но её вполне достаточно для наших целей. Следующей моей жертвой стал блок питания на 300 Вт, который, судя по надписям может выдавать 15 А (180 Вт) по напряжению 12 В. Максимум, что из него удалось выжать это 18 А, но при этом его групповой дроссель и сглаживающие конденсаторы грелись совершенно недопустимо. Эти симптомы говорят, что дроссель в таком режиме входит в насыщение и теряет индуктивность. Вскрытие показало, что выходные напряжения блоков питания легко регулируются. Там стоит управляющая микросхема TL494 (буквы в названии могут быть и другими, но микросхема везде одна и та же), которая и осуществляет всё управление силовыми ключами. У неё есть (среди прочих) два входа (как у операционника) прямой и инверсный (ноги 2 и 1 соответственно). На инверсную ногу поданы сигналы обратной связи по напряжению для его стабилизации, а на прямую - опорное напряжение. Источником опорного напряжения (+5 В) является 14-я нога этой же микросхемы. Остаётся отыскать на плате сопротивление, соединяющее ноги 2 и 14, и отпаять вывод его, припаянный к 14-й. Всё. На этот конец сопротивления можно подавать напряжение от 0 до +5 В и все выходные напряжения будут регулироваться от 0 до номинальных. Таким образом, если на эту ногу подать через интегрирующую RC цепочку (для сглаживания импульсов ШИМ) напряжение с разъёма питания вентилятора видеокарточки (этим напряжением можно управлять в зависимости от температуры ядра с помощью ATITool или другой подходящей программы) и ослабить его делителем (так как его максимальное значение составляет 12 В), то получается прекрасная система обратной связи по температуре.

Переделал блок питания, резко сократив его в размерах:

1. Выкинул корпус, вентилятор и входные фильтры питания. Подключил его входные цепи к сетевому фильтру основного блока.
2. Заменил штатные радиаторы медными пластинами с напаянными на них трубочками. Таким образом, блок питания стал охлаждаться водой. Вода уже есть, теперь к ней можно подключать, что не лень. А блоку предстоит работать без вентилятора.
3. Перемотал групповой дроссель. Правда, он теперь не групповой, а состоит из одной обмотки, намотанной в два (ранее один) провода диаметром 1 мм на сдвоенном сердечнике и содержит уже не 35, а 20 витков. Чтобы не разбираться с цепями защиты и стабилизации остальных напряжений (+3,3 и +5 В), сохранил их, но формирую делителем напряжения от +12 В.
4. Выкинул из блока лишние провода, подключил тот выход, что был раньше 12 В к четырём элементам Пельтье, установленным на процессорной стороне карточки и проверил на практике диапазон регулировки. Действительно, напряжение регулируется, начиная с нуля. При выходном напряжении 12 В ток через элементы (4 шт. включённые параллельно) составляет 25 A. Провода питания элементов имеют сечение 2,5 мм².

А вот фотография модернизированного блока питания:

Кликните по картинке для увеличения [143 KB]

От корпуса блока питания оставлено только железное дно. Оно закрывает печатную плату снизу и позволяет с помощью магнитов от Аквариуса II закрепить блок на «потолке» компьютера. Пусковой зелёный провод дополнительного питания с помощью специального разъёма соединён с зелёным проводом основного блока для их одновременного пуска. Этот же разъём (он виден на фотографии) используется для объединения «земель» блоков питания. Пятый элемент Пельтье, установленный на памяти, питается от 5 В основного блока.

Процесс выкидывания лишних цепей из блока питания породил несколько полезных идей, которые могут пригодиться и тем, кому дополнительный блок нужен, например, для питания винчестеров. Так, в каждом блоке есть узлы, обеспечивающие питание в дежурном режиме. Они не нужны дополнительному блоку, их можно выкинуть, либо использовать старые блоки с повреждёнными цепями дежурного питания. Включать дополнительный блок с помощью зелёного пускового провода тогда не обязательно. Вместо этого можно просто запитать регулирующую микросхему (12-я её нога) от +12 В основного блока. Тогда дополнительный будет включаться одновременно с основным.

При подключении обратной связи меня ждал сюрприз – оказывается видеокарточка (по крайней мере, на референсном дизайне) управляет вентилятором не с помощью коммутации провода питания, как можно было ожидать, а с помощью коммутации земляного провода! Это неправильно, так как делает невозможным работу датчика оборотов (третий, белый провод) вентилятора. Таким образом, управляющий сигнал оказался обратной полярности, и мне пришлось изменить схему, добавив инвертор на транзисторе КТ3107 (pnp). Сопротивление от управляющей микросхемы (идущее от её второй ноги) надо подключить к выходу схемы обозначенного «К управляющей микросхеме», «+12 В вентилятора» – к его красному проводу, «К земле вентилятора» – к его чёрному проводу. Собственно говоря, сам вентилятор не нужен, нужен только его соединительный проводок с разъёмом.

Кликните по картинке для увеличения [6 KB]

В ATITool забил следующую таблицу управления вентилятором в зависимости от температуры ядра:

При установке 100%, на элементах Пельтье оказывается 12 В и они потребляют 25 А тока. Так как система охвачена обратной связью, она сама поддерживает температуру ядра карточки. В режиме рабочего стола там +10 градусов (прощай конденсат), напряжение на элементах при этом колеблется 1 - 2 вольта и течёт ток около двух ампер. Налицо экономия электроэнергии в холостом режиме. Заставка Unreal (самого первого, с замком, если кто помнит, она в своё время использовалась как самый крутой тест для нагрузки карточек и системы) поднимает напряжение до 3 В. В Half-Life 2 напряжение колеблется от 5 до 8 вольт. И это при частотах карточки 682/614 МГц! Самым суровым оказался 3D тест самого ATITool. Напряжение на элементах в нём превышает 10 вольт, а температура ядра устанавливается на 16° C. Переходный процесс выглядит так (картинки нарисованы программой RivaTuner): быстрый скачёк температуры с 10° C до 23° C (эти 13° C - выделяемая ядром мощность, умноженная на тепловое сопротивление кристалла) дальше включённые на максимум элементы охлаждают ядро до 16° C где температура стабилизируется. При выключении теста температура мгновенно падает до 6° C, элементы почти отключаются, пока температура не поднимется до 10° C.

Кликните по картинке для увеличения [8 KB]

Низкие температуры ядра позволили ещё сильнее поднять напряжение на нём (установил сигналы 01110 на ногах 7, 8, 9, 10, 11 микросхемы стабилизатора, соответственно). Теперь оно стало 1,82 В в покое, но проседает до 1,73 при максимальной нагрузке. Такое проседание типично для всех стабилизаторов питания процессоров. Ядро теперь легко разгоняется до 702 МГц, но после нагрева его до 20 градусов, появляются единичные артефакты. На частоте 695 МГц всё работает совершенно надёжно. Таким образом, ядро очень эффективно разгоняется при подъёме напряжения его питания (особенно, когда это больше не сопровождается его чрезмерным нагревом ).

Фотография законченного корпуса с водопроводным охлаждением приведена на следующем рисунке:

Кликните по картинке для увеличения [337 KB]

Как видите, использование водопроводной воды избавляет корпус от загромождавших его ранее вентиляторов и радиаторов. Освободилось много места. Единственное отверстие в корпусе, где раньше был 120 мм вентилятор, я закрыл поролоновым фильтром с декоративной решёткой – больше корпус внутри пылиться не будет! Таким образом, стоит под столом обыкновенный корпус, потребляет как два очень крутых компьютера, сильно разогнан, набит под завязку, но его не слышно - единственный саморегулируемый вентилятор в блоке питания вращается на минимальных оборотах. И это никак не зависит от времени года и температуры воздуха. Тихо, мощно, стабильно и надёжно. Я, наконец, доволен! Пока доволен... Не существует ничего совершенно законченного. Пройдёт чуть-чуть времени и погоню его дальше - ведь для этого есть все предпосылки. Температурные ограничения сняты. А пока он ещё жив, можно всё это оформить в статью, сопроводив картинками .

В заключение автор благодарит команду Radeon.ru за полезные исправления

Вёрстка:
Александр Ефимов (IdeaFix)