Напівпровідникові кулери Пельтье Робота сучасних високопродуктивних електронних компонентів, складових основу комп'ютерів, супроводжується значним тепловиділенням, особливо при експлуатації їх у форсованих режимах розгону (overclocking). Ефективна робота таких компбнентов вимагає адекватних засобів охолоджування, що забезпечують необхідні температурні режими їх роботи. Як правило, такими засобами підтримки оптимальних температурних режимів є кулери, в основі яких використовуються традиційні радіатори і вентилятори. Надійність і продуктивність таких засобів безперервно підвищуються за рахунок вдосконалення їх конструкції, використання новітніх технологій і застосування в їх складі різноманітних датчиків і засобів контролю. Це дозволяє інтегрувати подібні засоби до складу комп'ютерних систем, забезпечуючи діагностику і управління їх роботою з метою досягнення найбільшої ефективності при забезпеченні оптимальних температурних режимів експлуатації комп'ютерних елементів, що підвищує надійність і подовжує терміни їх безаварійної роботи. Параметри традиційних кулеров безперервно поліпшуються, проте, останнім часом на комп'ютерному ринку з'явилися і швидко стали популярними такі специфічні засоби охолоджування електронних елементів, як напівпровідникові кулери Пельтье. Кулери Пельтье, що містять спеціальні напівпровідникові термоелектричні модулі, робота яких заснована на ефекті Пельтье, відкритому ще в 1834 р., є надзвичайно перспективними пристроями охолоджування. Подібні засоби вже багато років успішно застосовуються в різних областях науки і техніки. У 1960—1970-х роках вітчизняною промисловістю робилися неодноразові спроби випуску побутових малогабаритних холодильників, робота яких була заснована на ефекті Пельтье. Проте недосконалість тих, що існували тоді технологій, низькі значення коефіцієнта корисної дії і високі ціни не дозволили в ті часи подібним пристроям покинути науково-дослідні лабораторії і випробувальні стенди. Але ефект Пельтье і термоелектричні модулі не залишилися долею тільки учених. В процесі вдосконалення технологій багато негативних явищ вдалося істотно ослабити. В результаті цих зусиль були створені високоефективні і надійні напівпровідникові модулі. Останніми роками дані модулі, робота яких заснована на ефекті Пельтье, почали активно використовувати для охолоджування різноманітних електронних компонентів комп'ютерів. Їх, зокрема, почали застосовувати для охолоджування сучасних могутніх процесорів, робота яких супроводжується високим рівнем тепловиділення. Завдяки своїм унікальним тепловим і експлуатаційним властивостям пристрої, створені на основі термоелектричних модулів — модулів Пельтье, дозволяють досягти необхідного рівня охолоджування комп'ютерних елементів без особливих технічних утруднень і фінансових витрат. Як кулери електронних компонентів дані засоби підтримки необхідних температурних режимів їх експлуатації є надзвичайно перспективними. Вони компактні, зручні, надійні і володіють дуже високою ефективністю роботи. Особливо великий інтерес напівпровідникові кулери представляють як засоби, що забезпечують інтенсивне охолоджування в комп'ютерних системах, елементи яких встановлені і експлуатуються в жорстких форсованих режимах. Використання таких режимів розгону (overclocking) часто забезпечує значний приріст продуктивності вживаних електронних компонентів, а, отже, як правило, і всієї системи комп'ютера. Проте робота комп'ютерних компонентів в подібних режимах відрізняється значним тепловиділенням і нерідко знаходиться на межі можливостей комп'ютерної архітектури, а також існуючих і використовуваних мікроелектронних технологій. Необхідно відзначити, що такими комп'ютерними компонентами, робота яких супроводжується високим тепловиділенням, є не тільки високопродуктивні процесори, але і елементи сучасних високопродуктивних відеоадаптерів, а в деяких випадках і мікросхеми модулів пам'яті. Подібні могутні елементи вимагають для своєї коректної роботи інтенсивного охолоджування навіть в штатних режимах і тим більше в режимах розгону. Модулі Пельтье У кулерах Пельтье використовується звичайний так званий термоелектричний холодильник, дія якого заснована на ефекті Пельтье. Даний ефект названий на честь французького годинникаря Пельтье (1785—1845), що зробив своє відкриття більше півтора сторіч тому, — в 1834 р. Сам Пельтье не зовсім розумів суть відкритого ним явища. Дійсний сенс даного явища був встановлений декількома роками пізніше в 1838 р. Ленцем (1804—1865). У поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту і сурми Ленця помістив краплю води. При пропусканні електричного струму в одному напрямі крапля води замерзала. При пропусканні струму в протилежному напрямі лід, що утворився, танув. Тим самим було встановлено, що при проходженні через контакт двох провідників електричного струму, залежно від напряму останнього, крім джо-ульова тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтье. Це явище було назване явищем Пельтье (ефектом Пельтье). Даний ефект за своєю суттю є зворотним по відношенню до раніше відкритого явища Зєєбека, спостережуваного в замкнутому електричному ланцюзі, що складається з різнорідних металів або напівпровідників. Якщо температури в місцях контактів металів або напівпровідників разниє, то в ланцюзі з'являється електричний струм. Це явище термоелектричного струму і було відкрито в 1821 році німецьким фізиком Зєєбеком (1770—1831). На відміну від добре відомого тепла Джоуля—ленца, яке пропорційне квадрату сили струму (Q— R * /2 * (), тепло Пельтье пропорційно першому ступеню сили струму і міняє знак при зміні напряму останнього. Тепло Пельтье, як показали експериментальні дослідження, можна виразити формулою: GM = П *q, де q — кількість минулої електрики (q = I * f), П — так званий коефіцієнт Пельтье, величина якого залежить від природи контактуючих матеріалів і від їх температури. Тепло Пельтье Qn вважається позитивним, якщо воно виділяється, і негативним, якщо воно поглинається. У предстааїенной схемі досвіду (мал. 17.10) вимірювання тепла Пельтье при однаковому опорі проводів R(Cu + Bi), опущених в калориметри, виділиться одне і те ж тепло джоуля в кожному калориметрі, а імен-но по Q = R * /2 * /. Тепло Пельтье, навпаки, в одному калориметрі буде позитивне, а в іншому негативно. Відповідно до даної схеми можна зміряти тепло Пельтье і обчислити значення коефіцієнтів Пельтье для різних пар провідників. Мал. 17.10. Схема досвіду для вимірювання тепла Пельтье (Сі — мідь, Bi — вісмут) Необхідно відзначити, що коефіцієнт Пельтье знаходиться в істотній залежності від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтье для різних пар металів представлені в таблиці. Значення коефіцієнта Пельтье для різних пар металів Залізо-константан Мідь-нікель Свинець-константан Т, До П, мв т, до П, мв Т, До П, мв 273 13,0 292 8,0 293 8,7 299 15,0 328 9,0 383 11,8 403 19,0 478 10,3 508 16,0 513 26,0 563 8,6 578 18,7 593 34,0 613 8,0 633 20,6 833 52,0 718 10,0 713 23,4 Коефіцієнт Пельтье, що є важливою технічною характеристикою матеріалів, як правило, не вимірюється, а обчислюється через коефіцієнт Томсона: П = а * 7 де П — коефіцієнт Пельтье, а — коефіцієнт Томсона, Т— абсолютна температура. Відкриття ефекту Пельтье надав великий вплив на подальший розвиток фізики, а згодом і різних областей техніки. Отже, суть відкритого ефекту полягає в наступному: при проходженні електричного струму через контакт двох провідників, зроблених з різних матеріалів, залежно від його напряму, крім джоульова тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтье. Ступінь прояву даного ефекту значною мірою залежить від матеріалів вибраних провідників і використовуваних електричних режимів. Класична теорія пояснює явище Пельтье тим, що електрони, переносимі струмом з одного метала в іншій, прискорюються або сповільнюються під дією внутрішньої контактної різниці потенціалів між металами. У першому випадку кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється у вигляді тепла. У другому випадку кінетична енергія електронів зменшується, і цей спад енергії поповнюється за рахунок теплових коливань атомів другого провідника. В результаті відбувається охолоджування. Повніша теорія враховує зміну не потенційній енергії при перенесенні електрона з одного металу в іншій, а зміна повній енергії. Ефект Пельтье, як і багато термоелектричних явищ, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з напівпровідників з електронною (п-тип) і дірковою (р-тип) провідністю. Такі напівпровідники називаються, відповідно, напівпровідниками з n- і р-типом провідності або просто напівпровідниками n- і р-типа. Розглянемо термоелектричні процеси, що відбуваються в контакті таких напівпровідників. Допустимо, електричне поле має такий напрям, що електрони в напівпровіднику n-типа і дірки в напівпровіднику р-типа рухатимуться назустріч друг другу- Електрон з вільної зони напівпровідника п-типа після проходження через межу розділу потрапляє в заповнену зону напівпровідника р-типа і там займає місце дірки. В результаті такої рекомбінації звільняється енергія, яка виділяється в контакті у вигляді тепла. Цей процес ілюструє мал. 18.11. Мал. 17.11. Виділення тепла Пельтье в контакті напівпровідників п- і р-типа У разі зміни напряму електічеського поля на протилежне електрони в напівпровіднику n-типа і дірки в напівпровіднику р-типа рухатимуться в протилежні сторони. Дірки, що йдуть від межі розділу, поповнюватимуться в результаті утворення нових пар електронів і дірок при переходах електронів із заповненої зони напівпровідника р-типа у вільну зону. На утворення таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів грат. Електрони і дірки, що утворюються при народженні таких пар, захоплюються в протилежні сторони електричним полем. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар. В результаті в контакті тепло поглинатиметься (мал. 17.12). Мал. 17.12. Поглинання тепла Пельтье в контакті напівпровідників п- і р-типа Отже, залежно від напряму електричного струму через контакт напівпровідників різного типу — р-n- і n-p-переходов унаслідок взаємодії зарядів, представлених електронами (п) і дірками (р), рекомбінації і утворення пар зарядів енергія або вьщеляєтся, або поглинається. В результаті даних взаємодій і породжених енергетичних процесів тепло або поглинається, або виділяється. Використання напівпровідників р- і n-типа провідності в термоелектричних холодильниках ілюструє мал. 17.13. Мал. 17.13. Використання напівпровідників р- і п-типа в термоелектричних холодильниках Об'єднання великої кількості пар напівпровідників р- і n-типа дозволяє створювати елементи, що охолоджують, — модулі Пельтье порівняно великій потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтье представлена на мал. 17.14. Модуль Пельтье, є термоелектричний холодильник, що складається з послідовно сполучених напівпровідників р- і п-типа, створюючих р-n- і n-p-переходы. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним з двох радіаторів. В результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтье: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається і служить для відведення тепла. Мал. 17.14. Структура модуля Пельтье На мал. 17.15 представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтье. Мал. 17.15. Зовнішній вигляд модуля Пельтье Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, який складає декілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолоджуванні радіатора, що нагрівається, другий радіатор — холодильник — дозволяє досягти негативних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтье при забезпеченні адекватного їх охолоджування. Це дозволяє порівняно простими, дешевими і надійними засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолоджування елементів, що захищаються. На мал. 17.16 представлений приклад каскадного включення типових модулів Пельтье. Мал. 17.16. Приклад каскадного включення модулів Пельтье Пристрої охолоджування на основі модулів Пельтье часто називають активними кулерамі Пельтье або просто кулерамі Пельтье. Використання модулів Пельтье в активних кулерах робить їх істотно ефективнішими, в порівнянні із стандартними типами кулеров на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Проте в процесі конструювання і використання кулеров з модулями Пельтье необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, витікаючих з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів і функціональних можливостей системного і прикладного програмного забезпечення. Велике значення грає потужність модуля Пельтье, яка, як правило, залежить від його розміру. Модуль малої потужності не забезпечує необхідний рівень охолоджування, що може привести до порушення працездатності електронного елементу, що захищається, наприклад, процесора унаслідок його перегріву. Проте застосування модулів дуже великої потужності може викликати пониження температури радіатора, що охолоджує, до рівня конденсації вологи з повітря, що небезпечно для електронних ланцюгів. Це пов'язано з тим, що вода, що безперервно отримується в результаті конденсації, може привести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Тут доречно нагадати, що відстань між токопроводя-щимі провідниками на сучасних друкарських платах нерідко складає долі міліметрів. Проте, не дивлячись ні на що, саме могутні модулі Пельтье у складі високопродуктивних кулеров і відповідних систем додаткового охолоджування і вентиляції дозволили свого часу фірмам Kryotech і AMD в сумісних дослідженнях розігнати процесори AMD, створені за традиційною технологією, до частоти, що перевищує 1 Ггц, тобто збільшити їх частоту роботи майже в 2 рази в порівнянні з штатним режимом їх функціонування. І необхідно підкреслити, що даний рівень продуктивності досягнутий в умовах забезпечення необхідної стабільності і надійності роботи процесорів у форсованих режимах. Ну, а наслідком такого екстремального розгону з'явився рекорд продуктивності серед процесорів архітектури і системи команд 80x86. Проте фірма Kryotech прославилася не тільки завдяки своїм експериментам, пов'язаним з екстремальним розгоном процесорів. Широку популярність здобули її установки глибоко охолоджування комп'ютерних компонентів. Забезпечені відповідною електронною начинкою, вони виявилися затребуваними як платформи високопродуктивних серверів і робочих станцій. А фірма AMD отримала підтвердження високого рівня своїх виробів і багатий експериментальний матеріал для подальшого вдосконалення архітектури своїх процесорів. Доречно зауважити, аналогічні дослідження були проведені і з процесорами Intel Celeron, Pentium II і Pentium III. У даних експериментах був зафіксований значний приріст продуктивності. Необхідно відзначити, що модулі Пельтье в процесі своєї роботи виділяють порівняно велику кількість тепла. З етой причини слід застосовувати не тільки могутній вентилятор у складі кулера, але і заходи для зниження температури усередині корпусу комп'ютера для попередження перегріву решти компонентів комп'ютера. Для цього доцільно використовувати додаткові вентилятори в корпусі комп'ютера для забезпечення кращого теплообміну з навколишнім середовищем. На мал. 17.17 представлений зовнішній вигляд активного кулера, у складі якого використаний напівпровідниковий модуль Пельтье. Мал. 18.17. Зовнішній вигляд кулера з модулем Пельтье Як приклад модулів Пельтье, що випускаються серійно, можна привести вироби фірми Остерм (www.osterm.ru). Вони характеризуються максимальним струмом споживання (Imax), максимальною напругою (Umax), максимальною потужністю хладообразованія (Qc max), максимальним перепадом температур (dtmax) між гарячіше і холодною сторонами, зміряною без навантаження у вакуумі, а також розмірами (завдовжки — L, шириною — W і висотою — Н). У представленій нижче таблиці приведений ряд модулів Пельтье, що випускаються. Модулі Пельтье фірми Остерм Номер Imax, A Umax, В Qc max, Вт dtmax, До Lxwxh, Мм «1-127-1/0,8 6,0 15,4 50,0 71 30x30x3,1 «1-241-1/0,8 6,0 29,2 95,0 71 40x40x3,1 «1-127-1/1,3 3,9 15,4 33,4 73 30x30x3,6 «1-241-1/1,3 3,9 29,2 63,4 73 40x40x3,6 «1-127-1/1,5 3,0 15,4 27,0 73 30x30x3,8 «1-241-1/1,5 3,0 29,2 51,2 73 40x40x3,8 «1-71-1,4/1,1 8,5 8,6 41,9 71 30x30x3,8 «1-127-1,4/1,1 8,5 15,4 75,0 71 40x40x3,8 «1-71-1,4/1,5 6,0 8,6 30,0 73 30x30x3,9 «1-127-1,4/1,5 6,0 15,4 53,0 73 40x40x3,9 «1-127-2/1,5 13,0 15,5 120 73 55x30x4,6 Слід зазначити, що системи охолоджування на основі модулів Пельтье використовуються не тільки в електронних системах, таких як комп'ютери. Подібні модулі застосовуються для охолоджування різних високоточних пристроїв. Велике значення модулі Пельтье мають для науки. В першу чергу це стосується експериментальних досліджень, що виконуються у фізиці, хімії і біології. Приклади таких модулів, що випускаються фірмою Острем, приведені на мал. 17.18-17.21. Інформацію про модулі і кулерах Пельтье, а також особливості і результати їх застосування можна знайти на сайтах в Internet, наприклад, по наступних адресах: www.osterm.ru П www.rudteam.narod.ru www.melcor.com П www.computernerd.com www.kryotech.com П www.tomshardware.com Мал. 17.18. Перший приклад модуля Пельтье фірми Острем Мал. 17.19. Другий приклад модуля Пельтье фірми Острем Мал. 17.20. Третій приклад модуля Пельтье фірми Острем Мал. 17.21. Четвертий приклад модуля Пельтье фірми Острем Особливості експлуатації Модулі Пельтье, вживані у складі засобів охолоджування електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю, і на відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, не мають рухомих частин. І, як це наголошувалося вище, для збільшення ефективності своєї роботи вони допускають каскадне їх включення, що дозволяє довести температуру корпусів електронних елементів, що захищаються, до негативних значень навіть при їх значній потужності розсіяння. Проте, окрім очевидних переваг, модулі Пельтье володіють і поряд специфічних властивостей і характеристик, які необхідно враховувати при їх використанні у складі засобів, що охолоджують. Деякі з них були вже відмічені, але для коректного застосування модулів Пельтье вимагають детальнішого розгляду. До найважливіших характеристик відносяться наступні особливості експлуатації. Модулі Пельтье, що виділяють в процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявність у складі кулера відповідних радіаторів і вентиляторів, здатних ефективно відводити надмірне тепло від модулів, що охолоджують. Слід зазначити, що термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким холодильним коефіцієнтом і, виконуючи функції теплового насоса, вони самі є могутніми джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолоджування що електронних комплектують комп'ютера викликає значне зростання температури усередині системного блоку, що нерідко вимагає додаткових мерів і засобів для зниження температури усередині корпусу комп'ютера. Інакше підвищена температура усередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для елементів, що захищаються, і їх систем охолоджування, але і для решти компонентів комп'ютера. Необхідно також підкреслити, що модулі Пельтье є порівняно могутнім додатковим навантаженням для блоку живлення. Тому при використанні модулів Пельтье не слід забувати, що потужність блоку живлення комп'ютера повинна відповідати потужності встановлюваних в комп'ютер компонентів. Все це приводить до доцільності вибору материнських плат і корпусів АТХ з блоками живлення достатньої потужності (маркіровка потужності, як правило, приводиться на корпусі блоку живлення). Використання конструктиву АТХ полегшує для тих, що комплектують комп'ютера організацію оптимальних теплового і електричного режимів. Модуль Пельтье, у разі виходу його з ладу, ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це приводить до дуже швидкого порушення теплового режиму елементу, що захищається, і швидкого виходу його з ладу від подальшого перегріву. Низькі температури, що виникають в процесі роботи кулеров Пельтье надмірної потужності, сприяють конденсації вологи з повітря. Це представляє небезпеку для електронних компонентів, оскільки конденсат може викликати короткі замикання між елементами. Для виключення даної небезпеки доцільно використовувати кулери Пельтье оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від декількох параметрів. Найважливішими є: температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря усередині корпусу), температура охолоджуваного об'єкту і вологість повітря. Чим тепліше повітря усередині корпусу і чим більше вологість, тим вірогідніше відбудеться конденсація вологи і подальший вихід з ладу електронних елементів комп'ютера. Далі представлена таблиця, що ілюструє залежність температури конденсації вологи на охолоджуваному об'єкті залежно від вологості і температури навколишнього повітря. Використовуючи цю таблицю, можна легко встановити, чи існує небезпека конденсації вологи чи ні. Наприклад, якщо зовнішня температура 25 °С, а вологість 65%, то конденсація вологи на охолоджуваному об'єкті відбувається при температурі його поверхні нижче 18 °С. Температура конденсації вологи Зовнішня температура °С Вологість % 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 30 10,5 12,9 14,9 16,8 18,4 20,0 21,4 22,7 23,9 25,1 26,2 27,2 28,2 29,1 29 9,7 12,0 14,0 15,9 17,5 19,0 20,4 21,7 23,0 24,1 25,2 26,2 27,2 28,1 28 8,8 11,1 13,1 15,0 16,6 18,1 19,5 20,8 22,0 23,2 24,2 25,2 26,2 27,1 27 8,0 10,2 12,2 14,1 15,7 17,2 18,6 19,9 21,1 22,2 23,3 24,3 25,2 26,1 26 7,1 9,4 11,4 13,2 14,8 16,3 17,6 18,9 20,1 21,2 22,3 23,3 24,2 25,1 25 6,2 8,5 10,5 12,2 13,9 15,3 16,7 18,0 19,1 20,3 21,3 22,3 23,2 24,1 24 5,4 7,6 9,6 11,3 12,9 14,4 15,8 17,0 18,2 19,3 20,3 21,3 22,3 23,1 23 4,5 6,7 8,7 10,4 12,0 13,5 14,8 16,1 17,2 18,3 19,4 20,3 21,3 22,2 22 3,6 5,9 7,8 9,5 11,1 12,5 13,9 15,1 16,3 17,4 18,4 19,4 20,3 21,2 21 2,8 5,0 6,9 8,6 10,2 11,6 12,9 14,2 15,3 16,4 17,4 18,4 19,3 20,2 20 1,9 4,1 6,0 7,7 9,3 10,7 12,0 13,2 14,4 15f4 16,4 17,4 18,3 19,2 19 1,0 3,2 5,1 6,8 8,3 9,8 11,1 12,3 13,4 14,5 15,5 16,4 17,3 18,2 18 0,2 2,3 4,2 5,9 7,4 8,8 10,1 11,3 12,5 13,5 14,5 15,4 16,3 17,2 17 -0,6 1,4 3,3 5,0 6,5 7,9 9,2 10,4 11,5 12,5 13,5 14,5 15,3 16,2 16 -1,4 0,5 2,4 4,1 5,6 7,0 8,2 9,4 10,5 11,6 12,6 13,5 14,4 15,2 15 -2,2 -0,3 1,5 3,2 4,7 6,1 7,3 8,5 9,6 10,6 11,6 12,5 13,4 14,2 14 -2,9 -1,0 0,6 2,3 3,7 5,1 6,4 7,5 8,6 9,6 10,6 11,5 12,4 13,2 13 -3,7 -1.9 -0,1 1,3 2,8 4,2 5,5 6,6 7,7 8,7 9,6 10,5 11,4 12,2 12 -4,5 -2,6 -1,0 0,4 1,9 3,2 4,5 5,7 6,7 7,7 8,7 9,6 10,4 11,2 11 -5,2 -3,4 -1,8 -0,4 1,0 2,3 3,5 4,7 5,8 6,7 7,7 8,6 9,4 10,2 10 -6,0 -4,2 -2,6 -1,2 0,1 1,4 2,6 3,7 4,8 5,8 6,7 7,6 8,4 9,2 Окрім вказаних особливостей, необхідно враховувати і ряд специфічних обставин, зв'язаних з використанням термоелектричних модулів Пельтье у складі кулеров, вживаних для охолоджування високопродуктивних процесорів могутніх комп'ютерів. Ефективність використання модулів Пельтье залежить від вибору відповідної моделі і підтримки відповідних режимів її експлуатації. Необхідно відзначити, що неоптимальний вибір моделі і режимів її експлуатації не тільки не забезпечують необхідні умови роботи охолоджуваних компонентів, але і можуть привести до виходу їх з ладу. Оптимальний же вибір є порівняно непростим завданням. Одну з методик розрахунків ілюструють графіки, представлені на мал. 18.22 (з дозволу фірми Остерм). На цьому малюнку приведені термоелектричні характеристики одного з варіантів модулів Пельтье, що серійно випускаються. Ріс.17.22. Термоелектричні характеристики модуля Пельтье Методика розрахунків по представлених графіках характеристик зводиться до наступному діям: 1. По графіку U(I) для вибраної напруги U визначають струм I, що протікає через модуль Пельтье, при цьому величина струму I повинна бути в діапазоні висхідної кривої dt(I). 2. Для значення струму I по лініях, що визначають залежність dt від Qc, (у лівому нижньому кутку малюнка графіків) вибирається відповідна характеристика. 3. По значеннях температур Th і dt визначається температура холодної сторони модуля Пельтье, що обчислюється як Тс = Th — dt. З графіків dt від Qc видно, що із збільшенням теплової потужності (Qc) охолоджуваного елементу знижується різниця температур (dt = Th — Тс) між гарячіше (Th) і холодною сторонами (Тс) використовуваного модуля Пельтье. При цьому чим вище струм, що протікає через модуль і визначуваний прикладеною напругою U, тим вище різниця dt при фіксованій тепловій потужності Qc. Приклад розрахунку. 1. Для напруги 12 В струм складає 5 А. 2. Для електричного струму 5 А і тепловій потужності охолоджуваного елементу 20 Вт різниця температур dt складе приблизно 45 До (45 °С), для 40 Вт - 25 До, для 60 Вт - 4 До. 3. По певних значеннях dt і температурі гарячої сторони модуля Пельтье, яка в даному прикладі складає 323 До (50 °С), можна обчислити температуру Тс для кожного значення Qc. Для випадку теплової потужності охолоджуваного елементу, рівної 20 Вт, температура холодної сторони модуля Пельтье складе 278 До (5 °С), для 40 Вт — 298 До (25 °С), для 60 Вт- 319 До(46°с) Очевидно, що при використанні могутнішого модуля Пельтье можна досягти більшої величини різниці температур гарячіше і холодною його сторін. Так, наприклад, модуль з Qc = 131 Вт (Imax = 8,5 A, Umax = 28,8 В) забезпечує різниця температур в 35—40 °С для об'єктів з потужністю теплоутворення 60 Вт. Проте, вибираючи відповідний по потужності хладообразованія модуль, не можна забувати і про проблему його власної теплотворної здатності. Дійсно, для розглянутого модуля, експлуатованого у вказаних режимах (U = 12 В, 1 = 5 А), ця потужність складає 60 Вт. Але існує ще і теплова потужність охолоджуваного елементу. Тепловий потік, що породжується даними джерелами, лягає на засоби, що охолоджують. При цьому використовувані засоби, представлені, як правило, відповідним радіатором і вентилятором, повинні не тільки розсіювати досить могутній тепловий потік, але і забезпечувати низький рівень температури гарячої сторони модуля Пельтье. У тих же випадках, коли традиційні пристрої підтримки теплових режимів не володіють необхідними параметрами, рішенням може стати використання засобів водяного охолоджування. Тут доречно ще раз нагадати, що температура холодної сторони модуля залежить як від різниці температур, так і від величини температури на гарячій стороні цього модуля. До речі, слід звернути увагу, що, вибираючи відповідний по потужності хладообразованія модуль Пельтье, необхідно забезпечити використання всієї поверхні гарячіше і холодною сторін. Якщо ж площа, наприклад, холодної сторони модуля, зробленої з кераміки, перевищує площу контакту з охолоджуваним об'єктом, то слід застосовувати проміжні теплопроводящие пластини достатніх розмірів і товщини, виготовлені, наприклад, з міді або алюмінію. На жаль, цим не вичерпуються всі проблеми використання модулів Пельтье, вживаних у складі кулеров. Річ у тому, що архітектура сучасних процесорів і деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. Це дозволяє оптимізувати їх енергоспоживання. До речі, це передбачено і стандартами енергозбереження, підтримуваними деякими функціями, вбудованими в апаратно-програмне забезпечення сучасних комп'ютерів. У звичайних умовах оптимізація роботи процесора і його енергоспоживання благотворно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і загальному тепловому балансі. Проте слід зазначити, що режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолоджування процесорів, що використовують модулі Пельтье. Це пов'язано з тим, що що існують кулери Пельтье, що набули найбільшого поширення, як правило, розраховані на безперервну роботу. Тому у разі переходу процесора в режим зниженого енергоспоживання і відповідно тепловиділення можливе значне зниження температури корпусу і кристала процесора. Переохолодження ядра процесора може викликати в деяких випадках тимчасове припинення його працездатності, і, як результат, стійке зависання комп'ютера. Необхідно нагадати, що відповідно до документації фірми Intel мінімальна температура, при якій гарантується коректна робота серійних процесорів Pentium II і Pentium III, Pentium 4, зазвичай складає +5 °С, хоча, як показує практика, вони чудово працюють і при нижчих температурах. Деякі проблеми можуть виникнути і в результаті роботи ряду вбудованих функцій, наприклад, тих, які здійснюють управління вентиляторами кулеров. Зокрема, режими управління енергоспоживанням процесора в деяких комп'ютерних системах передбачають зміну швидкості обертання вентиляторів, що охолоджують, за допомогою вбудованих апаратних засобів материнської плати. У звичайних умовах це значно покращує тепловий режим процесора комп'ютера, оптимізуючи умови його роботи. Проте у разі використання простих кулеров Пельтье, в конструкції яких не передбачені температурні датчики і засоби контролю, зменшення швидкості обертання може привести до погіршення теплового режиму з фатальним результатом для процесора вже унаслідок його перегріву працюючим модулем Пельтье. Це пов'язано з тим, що він, окрім виконання функцій теплового насоса, є могутнім джерелом додаткового тепла. Необхідно відзначити, що, окрім охолоджування процесорів комп'ютерів, кулери Пельтье можуть бути хорошою альтернативою традиційним засобам охолоджування відеочіпсетів, використовуваних у складі сучасних високопродуктивних відеоадаптерів. Робота таких відеочіпсетів супроводжується значним тепловиділенням і зазвичай не схильна до різких змін режимів їх функціонування. Для того, щоб виключити проблеми з режимами змінного енергоспоживання, що викликають конденсацію вологи з повітря і можливе переохолодження, а в деяких випадках навіть перегрів елементів, що захищаються, таких як процесори комп'ютерів, слід відмовитися від використання подібних режимів і ряду вбудованих функцій. Проте як альтернативу можна використовувати системи охолоджування, що передбачають інтелектуальні засоби управління кулерамі Пельтье. Такі засоби можуть контролювати не тільки роботу вентиляторів, але і змінювати режими роботи самих термоелектричних модулів, використовуваних у складі активних кулеров. У простому випадку це може бути мініатюрне термореле на основі біметалічної пластини, що укріплене на модулі Пельтье і управляє роботою його вентилятора, що охолоджує. З'явилися повідомлення про експерименти по вбудовуванню мініатюрних модулів Пельтье безпосередньо в мікросхеми процесорів для охолоджування їх найбільш критичних структур. Таке вирішення споєобствуєт кращому охолоджуванню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів. Роботи у напрямі вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів ведуться багатьма дослідницькими лабораторіями. І серед них системи охолоджування, що передбачають використання термоелектричних модулів Пельтье, вважаються надзвичайно перспективними. Приклади кулеров Пельтье Порівняно недавно на комп'ютерному ринку з'явилися модулі Пельтье вітчизняного виробництва. Це прості, надійні і порівняно дешеві ($6—$15) пристрої. Як правило, що охолоджує вентилятор не входить до складу комплектів, що поставляються. Проте, дані модулі дозволяють не тільки познайомитися з перспективними засобами охолоджування, але і використовувати їх по прямому призначенню в системах захисту комп'ютерних компонентів. Ось короткі параметри одного із зразків. Розмір модуля (мал. 17.23) — 40x40 мм, максимальний струм — 6 А, максимальна напруга — 15 В, споживана потужність — до 85 Вт, перепад температур — більше 60 °С. При забезпеченні могутнього вентилятора модуль здатний захистити процесор при розсіюваній ним потужності до 40 Вт. Мал. 17.23. Зовнішній вигляд кулера На ринку представлені як менш, так і могутніші варіанти вітчизняних модулів Пельтье. Спектр зарубіжних пристроїв значно ширший. Нижче приведені приклади серійних кулеров, в конструкції яких використані термоелектричні модулі Пельтье. Активні кулери Пельтье фірми Computernerd Назва Виробник / постачальник Параметри вентилятора Процесор Рах56в Computernerd ball-bearing Pentium/mmx до 200 Мгц, 25 Вт Ра6ехв Computernerd dual ball-bearing, тахометр Pentium MMX до 40 Вт Dt-p54a Destech Solutions dual ball bearing Pentium Ас-р2 AOC Cooler ball bearing Pentium II Рар2хзв Computernerd 3 ball bearing Pentium II Step-up-53x2 Step Thermodynamics 2 ball bearing Pentium II, Celeron Рар2схзв-10 Bcool Pc-peltier Computernerd 3 ball-bearing, тахометр Pentium II, Celeron Рар2схзв-25 Bcool-er Pc-peltier Computernerd 3 ball-bearing, тахометр Pentium II, Celeron Pap2cx3b-10s Bcool-est Pc-peltier Computernerd 3 ball-bearing, тахометр Pentium II, Celeron Кулер Рах56в розроблений для охолоджування процесорів Pentium і Pentium ММХ фірм Intel, Cyrix і AMD, що працюють на частотах до 200 Мгц. Термоелектричний модуль розміром 30x30 мм дозволяє кулеру підтримувати температуру процесора нижче 63 °С при розсіюваній ним потужності 25 Вт і зовнішній температурі рівної 25 °С. У зв'язку з тим, що більшість процесорів розсіюють меншу потужність, даний кулер дозволяє підтримувати температуру процесора набагато нижче, ніж багато альтернативні кулери на основі радіаторів і вентиляторів. Живлення модуля Пельтье, що входить до складу кулера Рах56в, здійснюється від джерела 5 В, здатного забезпечити струм 1,5 А (максимум). Вентилятор даного кулера вимагає напруга 12 В і струм 0,1 А (максимум). Параметри вентилятора кулера Рах56в: ball-bearing, 47,5 мм, 65 000 годин, 26 дб. Загальний розмір даного кулера складає 25x25x28,7 мм. Орієнтовна ціна кулера Рах56в була встановлена в $35. Кулер Ра6ехв розроблений для охолоджування могутніших процесорів Pentium ММХ, розсіюючих потужність до 40 Вт. Цей кулер підходить для всіх процесорів фірм Intel, Cyrix і AMD, що підключаються через Socket 5 або Socket 7. Термоелектричний модуль Пельтье, що входить до складу кулера Ра6ехв, має розмір 40x40 мм і споживає максимум струм 8 А (зазвичай 3 А) при напрузі 5 В з підключенням через стандартний роз'єм живлення комп'ютера. Загальний розмір кулера Ра6ехв складає 60x60x52,5 мм. При установці даного кулера для хорошого теплообміну радіатора з навколишнім середовищем необхідно забезпечити відкритий простір навколо кулера як мінімум 10 мм зверху і 2,5 мм з боків. Кулер Ра6ехв забезпечує температуру процесора на рівні 62,7 °С при розсіюваній ним потужності 40 Вт і зовнішній температурі 45 °С. Враховуючи принцип роботи термоелектричного модуля, що входить до складу даного кулера, щоб уникнути конденсації вологи і короткого замикання необхідно уникати використання програм, які переводять процесор в сплячий режим на тривалий час. Орієнтовна ціна такого кулера — $65. Кулер Dt-p54a (також відомий під назвою Ра5в фірми Computernerd) розроблений для процесорів Pentium. Проте деякі фірми, що пропонують ці кулери на ринку, рекомендують його і користувачам Cyrix/ibm 6x86 і AMD Кб. Радіатор, що входить до складу кулера, достатньо малий. Його розміри 29x29 мм. У кулер вбудований термодатчик, який при необхідності оповістить про перегрів. Він також контролює елемент Пельтье. У комплект входить зовнішній контролюючий пристрій. Воно виконує функції контролю за напругою і самою роботою елементу Пельтье, роботою вентилятора, а також температурою процесора. Пристрій видасть сигнал тривоги, якщо елемент Пельтье або вентилятор вийдуть з ладу, якщо вентилятор обертається із швидкістю меншої, ніж на 70% від необхідного значення (4500 RPM), або ж температура процесора піднялася вище 145 °F (63 °С). Якщо температура процесора піднялася вище 100 °F (38 °С), то елемент Пельтье автоматично включається, інакше він знаходиться в режимі відключення. Остання функція ліквідовує проблеми, пов'язані з конденсацією вологи. На жаль, сам елемент приклеєний до радіатора настільки сильно, що його неможливо відокремити, не зруйнувавши його конструкцію. Це позбавляє можливості встановити його на іншій, могутніший радіатор. Що стосується вентилятора, то його конструкція характеризується високим рівнем надійності і він володіє наступними параметрами: напруга живлення — 12в, швидкість обертання — 4500 RPM, швидкість подачі повітря — 6,0 CFM, споживана потужність — 1 Вт, шумові характеристики — 30 дб. Цей кулер достатньо продуктивний і корисний при розгоні. Проте в деяких випадках розгону процесора слід скористатися просто великим радіатором і хорошим кулером. Ціна цього кулера складає від $39 до $49. Кулер Ас-р2 розроблений для процесорів типу Pentium II. У комплект входить 60 мм кулер, радіатор і елемент Пельтье розміром 40 мм. Він погано підходить до процесорів Pentium II 400 Мгц і вище, оскільки їм практично не охолоджуються чіпи кеш-пам'яті, розташованою на платі процесора. Орієнтовна ціна — $59. Кулер Рар2хзв (мал. 18.24) аналогічний АОС Ас-р2. У нього додані два 60 мм кулера. Проблеми з охолоджуванням пам'яті SRAM залишилися невирішеними. Варто відзначити, що кулер не рекомендується використовувати разом з програмами, що охолоджують, такими як, наприклад, Cpuldle, а також під операційними системами Windows NT або Linux, оскільки вірогідна конденсація вологи на процесорі. Орієнтовна ціна — $79. Мал. 17.24. Зовнішній вигляд кулера Рар2хзв Кулер Step-up-53x2 оснащений двома вентиляторами, що прокачують велику кількість повітря через радіатор. Орієнтовна ціна -(Pentium II), $69 (Celeron). Кулери серії Bcool від Computernerd (Pap2cx3b-10 Bcool Pc-peltier, Pap2cx3b-25 Bcool-er Pc-peltier, Pap2cx3b-10s, Bcool-est Pc-peltier) розроблені для процесорів Pentium II і Celeron і мають схожі характеристики, які представлені в наступній таблиці. Кулери серії Bcool Характеристика Рар2схзв-10 Рар2схзв-25 Pap2cx3b-10s Тип центрального вентилятора ball-bearii ng, тахометр (12 В 120ма) Розмір центрального вентилятора   60x60x10 мм   Тип зовнішнього вентилятора ball-bearing ball-bearing, тахометр ball-bearing, термістр Розмір зовнішнього вентилятора 60x60x10 мм 60x60x25 мм   Напруга, струм 12в,90ма 12в, 130 ма 12в, 80-225 ма Загальна площа обхвату вентиляторами   84,9 см2   Загальний струм для вентиляторів (потужність) 300 ма (3,6 Вт) 380 ма (4,56 Вт) 280-570 ма (3,36-6,84 Вт) Кількість штирьков на радіаторі (центр) 63 f. довгих і 72 коротіх   Кількість штирьков на радіаторі (з кожного краю) 45 f. довгих і коротіх   Загальна кількість штирьков на радіаторі 153,t винних і 108 коро тких Розміри радіатора (центр) 57x59x27 мм (вю 1ючая термоелектр ічеськой модуль) Розміри радіатора (з кожного краю)   41x59x32 мм   Загальні розміри радіатора 145x59x38 мм (вк лючая термоелектр !ічеськой модуль) Загальні розміри кулера 145x60x50 мм 145x60x65 мм   Вага кулера 357 грам 416 грам 422 грам Гарантія   5 років   Орієнтовна ціна (2000 р.) $74,95 $79,95 $84,95 Для процесорів типу Intel Pentium 4 і AMD Athlon можуть бути рекомендовані, наприклад, кулери фірми Thermaltake. Слід зазначити, що вказані групи кулеров включають також пристрої, які мають схожі характеристики, але в яких відсутні елементи Пельтье. Такі кулери, природно, дешевше, але у ряді випадків і менш ефективні як засоби охолоджування тих, що комп'ютерних комплектують.