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Ventiladores: conceptos básicos

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Partes básicas de un ventilador

Un ventilador de ordenador consta de varias partes: el motor, la circuitería de control del motor, el conector, el rotor (las aspas) y el marco del ventilador. Aquí se puede ver la imagen de un ventilador desmontado:

Se puede apreciar que en el centro del marco del ventilador está sujeto el motor. El rotor se sujeta al motor del ventilador mediante algún sistema de cojinetes, de los que puede haber varios tipos. Concretamente el de la figura se corresponde con un cojinete de casquillo o "sleeve bearing".

Cojinetes

Los tipos de cojinetes más importantes que se pueden encontrar son los siguientes:

  • Cojinete de casquillo ("sleeve bearing"): Uno de los rodamientos más utilizados debido a su bajo coste de fabricación, consiste en la utilización de dos superficies lubricadas convenientemente. Este tipo de rodamiento es uno de los más silenciosos, pero es poco duradero en comparación con otros. El lubricante puede secarse o las superficies pueden deformarse, y esta degradación se acelera en presencia de altas temperaturas de funcionamiento. Al deteriorarse el ventilador incrementa su ruido. Un ventilador de estas características tiene un tiempo medio de vida de unas 30.000 horas a 50ºC. Son en general los ventiladores más adecuados para un SilentPC, con el inconveniente de que hay que cambiarlos al cabo de unos pocos años (2-5, dependiendo del uso). También son sensibles al funcionamiento en horizontal, donde pueden disminuir sus prestaciones. Ejemplos de ventiladores con este tipo de rodamientos son los Nexus Silent Case Fan y los Scythe Slip Stream

  • Rodamiento de bolas ("ball bearing"): Uno de los cojinetes más utilizados en ventiladores más antiguos, o muchos de los ventiladores que se encuentran en fuentes de alimentación. El rodamiento consiste en una hilera de bolas que giran etre el eje y el motor, selladas en una carcasa metálica. Podemos encontrar ventiladores con dos rodamientos de bola (rodamiento doble de bola o "dual ball bearing"). Son más costosos de fabricar, pero son más duraderos y resistentes a las temperaturas, y no tienen problemas de funcionamiento en horizontal. El inconveniente es que son bastante más ruidosos que los anteriores. El tiempo medio de vida ronda las 70.000 horas a 50ºC. Ejemplos de este tipo de rodamiento podemos encontrar en los ventiladores Enermax de la serie UC-FAB.

  • Cojinete de fluído ("fluid bearing"): Este tipo de cojinete, que suele ser bastante más caro de fabricar, tiene un funcionamiento similar al cojinete de casquillo, pero en lugar de estar simplemente lubricados los materiales, se añade una zona con aceite (u otro fluído) a presión, que "autoestabiliza" el eje del rotor. Este tipo de ventiladores son muy duraderos, con hasta 150.000 horas de tiempo medio de vida. No son tan silenciosos como los de casquillo, pero siguen siendo bastante silenciosos. Al igual que los ventiladores de rodamiento de bolas no son sensibles al funcionamiento en horizontal. Ejemplos de estos ventiladores son los Scythe S-Flex (con el sistema de cojinete S-FDB, "Sony Fluid Dinamic Bearing") y los Noctua (con el sistema de cojinete SSO, "Self Stabilising Oil").

Marco del ventilador

El marco es el elemento principal del ventilador, ya que sirve tanto para al anclaje del propio ventilador como de soporte para el motor, e incluso de guía del flujo de aire. Adicionalmente, el marco suele indicar el sentido del movimiento de las aspas del ventilador y el del movimiento del aire a través del mismo. Esta información suele venir indicada con flechas en un lateral y, normalmente, el ventilador sopla hacia el lado donde se encuentran los soportes del motor del ventilador:


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El marco suele tener 4 orificios en las esquinas para atornillarlo al ordenador (en realidad 8, ya que los tiene en ambas partes, como se puede ver en la foto del ventilador de arriba), o para servir de sujeción en los anclajes de los disipadores. A veces, el marco tiene las esquinas cerradas y puede suponer un problema, ya que hacen falta tornillos más largos o bien lo hacen incompatible con la instalación en determinados sistemas. Esto sucede por ejemplo con los ventiladores Nexus:



En este caso se puede solucionar cortando las esquinas, como se propone en ese hilo del foro de SilentPCReview (al cual pertenece la foto anterior).

Rotor

Existen muchos diseños diferentes de rotores. Se pueden clasificar fundamentalmente en dos grupos:

  • Ventiladores Radiales o Centrífugos: Este tipo de ventiladores tienen las palas normalmente planas y con forma de "radios" (como una rueda de paletas), permitiendo que el flujo de aire sea perpendicular al eje del ventilador. Un ejemplo de ventilador radial:

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    Este tipo de ventiladores se utiliza habitualmente en tarjetas gráficas, disipadores de chipsets de placa base, o extractores "blower" de ranuras PCI. Para generar un flujo decente de aire necesitan funcionar a velocidades muy altas, por lo que suelen generar bastante ruido, y no son apropiados para un PC silencioso. Por esta razón no hablaremos más de este tipo de ventiladores. Existen alternativas para estos ventiladores, por ejemplo, en tarjetas gráficas podemos encontrar multitud de sistemas de refrigeración que no utilizan ventiladores radiales (incluso las hay pasivas) o podemos realizar alguna modificación para utilizar un ventilador axial, en placas base se pueden utilizar soluciones pasivas (disipadores más eficientes sin ventilador) o un "blower" de ranuras PCI puede ser construido con un ventilador axial.

  • Ventiladores Axiales: Este tipo de ventiladores mueven el aire en dirección paralela al eje del ventilador (o perpendicular al marco, según como se quiera ver). Son mucho más apropiados para un PC silencioso, se pueden construir en muchísimos tamaños diferentes y existen multitud de diseños diferentes del rotor con diferente número, tamaño y forma de las aspas. Algunos ejemplos:

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    Como curiosidad, los ventiladores que aparecen en esta foto son todos de 12cm, y son los modelos (de izquierda a derecha, y de arriba a abajo): Scythe Slip Stream, Noctua NF-P12, Nexus Real Silent Case Fan, Scythe S-Flex, Noctua NF-S12 y Tacens Ventus.

Motor

En la siguiente foto se puede apreciar cómo es un motor de un ventilador, que básicamente es un electroimán:

Al lado opuesto del electroimán suele estar la circuitería de control, que puede ser muy sencilla como en el ejemplo de la izquierda de la siguiente imagen, o bastante complejo, pudiendo incluso contener en ocasiones un microcontrolador completo:

Un esquema básico de la circuitería de control tiene un esquema similar a uno de estos:



Se puede ver que en cualquiera de los dos hay dos elementos importantes: el electroimán (en la parte derecha, "coils") y un sensor Hall (en la parte izquierda, "Hall Sensor"). El electroimán es el motor en sí, que se puede ver en las fotos anteriores. El sensor Hall es un dispositivo que permite detectar la velocidad de giro del ventilador

El esquema de la izquierda se corresponde con un ventilador de 3 pines (GND, +V, TACH), en el que GND y VCC son entradas a este circuito, y TACH es una salida:

  • GND es la referencia o masa del circuito,
  • +V es la alimentación que alimenta tanto el sensor Hall como el electroimán del ventilador, y
  • TACH es el sensor de velocidad del ventilador (valor que calcula el bloque Sensor Hall).

El esquema de la derecha se corresponde con un ventilador más avanzado de 4 pines con control PWM (GND, +V, TACH, Drive), en el que GND, VCC y Drive son entradas, y TACH es una salida:

  • GND es la referencia o masa del circuito.
  • +V es la alimentación, que en este caso alimenta el sensor Hall, y además sirve para dar corriente al electroimán
  • TACH es el sensor de velocidad del ventilador (valor que calcula el bloque Sensor Hall), exactamente igual que en el esquema anterior.

  • Drive es una señal de control, generalmente una señal PWM, que combinada con la alimentación que proporciona +V, proporciona la alimentación necesaria al electroimán del ventilador.

Se puede apreciar que la forma más simple de combinar, en el esquema de la derecha, +V y Drive es mediante un simple transistor, como el Jfet de canal N de la figura, que funciona a modo de interruptor: cuando drive está a nivel alto (12V) impide el paso de +V, y cuando drive está a nivel bajo (0V) entonces permite el paso de +V. Es decir, es la entrada Drive la que controla exactamente cuándo está conectado y cuando no +V al electroimán.

Por supuesto, esto es un esquema básico, que puede ser mejorado con circuiterías adicionales para mejorar la detección de velocidad a partir del sensor Hall, o para atenuar la señal PWM e incluso convertirla en un voltaje constante, o que añadan diferentes elementos de protección, etc. Dependiendo de qué circuitería quiera añadir cada fabricante se pueden obtener ventiladores de mayor o menor calidad.

Existen otros esquemas de ventiladores aparte de estos dos que se han mostrado como ejemplo. Por ejemplo, las fuentes enermax modu82+ y pro82+ utilizan un esquema similar al de cuatro pines del esquema de la derecha, pero utilizan un sistema de "doble voltaje". En lugar de tener las entrada de +V y drive para conectar 12V y una señal PWM, tienen dos entradas +V1 y +V2 para conectar dos niveles de voltaje diferentes, +12V y otro diferente. El de 12V va conectado al IC Hall, mientras que el segundo se conecta directamente al electroimán, evitando la necesidad de atenuar la señal PWM. Este sistema es una de las razones por las que estas fuentes son actualmente las más fuentes con ventilador más silenciosas del mercado.



 
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