Porównanie technik aktywnego chłodzenia sprzętu elektronicznego

Altium Designer

|  Created: August 24, 2017  |  Updated: November 9, 2020

Chłodzenie podzespołów elektronicznych jest bardzo istotne. Wiem to, ponieważ swego czasu część płyty głównej w moim laptopie zwyczajnie się stopiła. W 2010 roku kupiłem jeden z najlepszych dostępnych komputerów, aby wypróbować nową grę komputerową ze wspaniałą grafiką. Komputer miał kartę graficzną z najwyższej półki, ale system zarządzania temperaturą samego urządzenia wołał o pomstę do nieba. Powinienem był wiedzieć, że coś jest nie tak, gdy w czasie grania wszystkie klawisze na klawiaturze były zbyt gorące, by móc je dotykać. Niedługo później komputer przestał działać. Zabrałem go więc do warsztatu, w którym powiedzieli mi, że część znajdujących się w nim podzespołów uległa spaleniu. Na szczęście dla mnie sprzęt wciął znajdował się na gwarancji, więc to jego producent pokrył koszty naprawy. Być może gdyby producent wcześniej zadbał o właściwy system chłodzenia, nigdy nie byłoby takiego problemu. Jeśli natomiast sam nie chcesz zaprojektować czegoś, co ulegnie spaleniu, to na pewno warto zapoznać się z kilkoma technikami aktywnego chłodzenia podzespołów elektronicznych. Wśród technik tych wyróżniamy np. wentylatory, generatory wiatru jonowego, czy chłodzenie piezoelektryczne. Każda technika chłodzenia ma swoje wady i zalety, które mogą finalnie zaważyć na tym, która z nich będzie najlepsza dla Twojego systemu.  

Optymalne chłodzenie

W optymalnym zarządzaniu temperaturą podzespołów elektronicznych nie chodzi tylko o to, żeby nie doprowadzić do zapalenia się płytek PCB. Temat jest nieco szerszy i przede wszystkim trzeba do niego podejść rozsądnie. Jeśli pracujesz z systemami wbudowanymi lub innymi aplikacjami o niskim zużyciu energii, będziesz potrzebował bardzo wydajnego systemu chłodzenia. System ten nie powinien również zajmować zbyt wiele miejsca, ani pochłaniać zbyt dużo czasu użytkownika na jego późniejszą konserwację. Dlatego też omawiając każdą z technik chłodzenia, pochylę się nad zagadnieniami związanymi z ich zużyciem energii, rozmiarem, czy w końcu właśnie konserwacją każdego z takich systemów. 

^{Tego konkretnego systemu chłodzenia nie mogę polecić nikomu.} 

Wentylatory 

Po tym jak mój komputer się spalił, w warsztacie zmienili moją aktualną kartę graficzną na nieco słabszą, która produkowała o wiele mniej ciepła. Nie pomogło to jednak za bardzo, ponieważ mój komputer ciągle się przegrzewał. W pewnym momencie postanowiłem więc postawić obok niego zwyczajny biurkowy wiatraczek, który go chłodził. To było mocno prowizoryczne rozwiązanie, więc skupmy się lepiej na wentylatorach montowanych wewnątrz obudowy komputera.

• Zużycie energii – wentylatory to zdecydowanie najpowszechniejszy system chłodzenia podzespołów elektronicznych, ponieważ są proste w konstrukcji i stosunkowo tanie. Projektując płytkę PCB o niskim poziomie mocy, nie zalecam jednak chłodzenia jej przeciętnej klasy wentylatorem. Istnieją oczywiście pewne wyjątki, takie jak Sandia Cooler od Sandia Laboratories. To bardzo wydajny wentylator, który dodatkowo zużywa nawet 7% mniej energii w porównaniu do jego zwykłych odpowiedników.

• Rozmiar – jeśli poszukujesz czegoś o niewielkim rozmiarze, nie jest to rozwiązanie dla Ciebie. Wentylatory mają nie tylko duże rozmiary, ale wymagają też dodatkowej ramy i osobnego systemu zasilającego. Biorąc to pod uwagę, wentylatory sprawdzają się dużo lepiej dla wdrożeń typu makro niż mikro.

• Konserwacja – choć wentylatory nie wymagają tyle uwagi co inne systemy chłodzące, i tak muszą być czyszczone stosunkowo często. Z reguły szybko osiada na nich kurz, który zmniejsza ich wydajność i zagraża przez to innym podzespołom, które są wówczas narażone na przegrzanie. Z pomocą znów przychodzi wspomniany wyżej wentylator Sandia Cooler. Dzięki temu, że wiruje on znacznie szybciej od przeciętnych wentylatorów, odrzuca cząsteczki kurzu, które na niego opadają. 

Generatory wiatru jonowego

Gdy słyszę o „wietrze jonowym”, wyobrażam sobie jakiś przerażający podmuch, którego doświadczają astronauci w przestrzeni kosmicznej. Rzeczywistość nie jest jednak aż tak fascynująca. Generatory wiatru jonowego (zwane również strumieniami jonowymi lub wyładowaniami koronowymi) składają się z dwóch płyt, jednej naładowanej dodatnio, a drugiej naładowanej ujemnie. Powstałe między tymi płytami pole elektryczne generuje delikatny podmuch. Ponieważ wiatr ten wytwarzany jest bez  generowania jakiegokolwiek ruchu, rozwiązanie to jest praktycznie bezgłośne.  

• Zużycie energii – biorąc pod uwagę samą moc, wiatr jonowy jest zdecydowanie efektywniejszy od standardowych wentylatorów. Nie ustalono jednak jeszcze, o ile bardziej są one efektywniejszym rozwiązaniem. Doskonale radzą sobie one natomiast przy zastosowaniach o niskim poziomie mocy.

• Rozmiar – generator wiatru jonowego składa się z dwóch naładowanych płyt, dzięki czemu łatwiej jest zamontować go w obudowie komputera niż standardowy wentylator. Płyty te można ustawić blisko siebie lub maksymalnie je od siebie oddalić – projektant ma tutaj całkowitą swobodę. Nieco trudniejszym zagadnieniem jest jednak kwestia zasilacza do takiego generatora, który może być nieco trudniejszy do dopasowania, ponieważ trzeba przygotować zasilanie na znacznie wyższy poziom napięcia.

• Konserwacja – jeśli uważasz, że strumienie wiatru jonowego są w stanie nieustannie wprowadzać żagle w ruch, przygotuj się na rozczarowanie. Niestety ostatnią rzeczą, którą można powiedzieć o tej technice chłodzenia jest to, że jest niezawodna. Płyta naładowana dodatnio z uwagi na swój ładunek szybko się utlenia, co ma negatywny wpływ na wydajność generatora i powoduje, że na dłuższą metę nie będzie to dobre rozwiązanie.

^{Jeśli masz ochotę na powrót do tradycyjnych metod, do chłodzenia możesz spróbować użyć takiego miechu.} 

Chłodzenie piezoelektryczne

Zamiast wykorzystywać wentylatory oscylacyjne do chłodzenia swojego komputera, mogłem skorzystać z kilku miechów. Ich jedyny problem polega jednak na tym, że ktoś musi je pompować, a akurat nie znałem żadnego czeladnika z kuźni, który mógłby mi pomóc w tym zadaniu. Co więcej, stosunkowo trudno byłoby zmieścić je w obudowie, w której znajdują się płytki PCB. Jak może to więc sensownie działać? Bardziej nowoczesne mieszki piezoelektryczne składają się z dwóch płyt utworzonych z piezoelektrycznego materiału, który wibruje gdy przechodzi przez niego ładunek. Wibracja ta wymusza napływ i wylot powietrza, dzięki czemu system taki działa podobnie jak wentylator. Co więcej, model GE ma dla przykładu rozmiar jedynie 4 mm, co czyni go ostatecznie całkiem poręcznym rozwiązaniem.

• Zużycie energii – panie i panowie, oto zwycięzca. Szacuje się, że ten niestandardowy system chłodzenia zużywa jedynie 1/10 części mocy konwencjonalnych wentylatorów. Jeśli zależy Ci więc na tym, aby system chłodzenia zużywał jak najmniej energii, to jest to dla Ciebie idealne rozwiązanie.

• Rozmiar – mieszki piezoelektryczne zajmują równie mało miejsca, co generatory wiatru jonowego. Sprawia to, że są świetnym wyborem dla układów o niewielkim rozmiarze.

• Konserwacja – szczerze mówiąc nie jestem do końca pewien, jaki rodzaj konserwacji niezbędny jest dla zastosowań tego typu. Czytając jednak o takich systemach, nie natknąłem się na informacje o potencjalnych problemach, także raczej nie ma się czym martwić. 

Chłodzenie cieczą

Jeśli tak jak ja lubisz grać w gry komputerowe, to na pewno słyszałeś już coś o chłodzeniu cieczą. Co tyczy się reszty czytelników, którzy są bardziej dojrzali ode mnie: są to systemy korzystające z jakiegoś rodzaju cieczy (wody, chłodziwa, czy nieprzewodzącego oleju) zamiast powietrza do przenoszenia ciepła. Powietrze jest kiepskim izolatorem, więc w ogóle nie powinno być wybierane do przewodzenia ciepła. Dzięki swojej konstrukcji, systemy chłodzenia cieczą są w stanie usuwać ciepło od 2 do 10 razy szybciej niż bardziej konwencjonalne rozwiązania chłodzące.

• Zużycie energii – przy dużej skali chłodzenie cieczą może być naprawdę bardzo wydajne. Mówiąc o dużej skali, mam na myśli np. całe serwerownie. W przypadku o wiele mniejszych zastosowań, zaoszczędzone koszty operacyjne mogą mieć spore znaczenie.

• Rozmiar – rozwiązania te są dosyć spore i mówiąc to naprawdę mam na myśli, że są duże. Mało tego, ludzie lubią z reguły chwalić się swoim systemem chłodzenia cieczą więc robią wszystko, aby zajął on w obudowie jak najwięcej miejsca. Jeśli prowadzisz centrum danych – idealnie, ale w przypadku np. zastosowań mobilnych, rozwiązanie to zwyczajnie się nie sprawdzi.

• Konserwacja – w systemach chłodzenia cieczą wiele się dzieje, więc jego elementy mogą się w końcu zepsuć. Istnieje również dodatkowe ryzyko wycieków, które mogą mieć katastrofalne skutki dla wszystkich znajdujących się wewnątrz obudowy układów elektronicznych. Nie polecam więc tego rozwiązania osobom, które wykonują swoją pracę na pół gwizdka. W przypadku chłodzenia cieczą nie ma miejsca na najmniejszy błąd przy montażu takiego systemu.

Ostateczne porównanie

Teraz, gdy przyjrzeliśmy się już wszystkim technikom chłodzenia układów elektronicznych, pojawia się pytanie: z którego z nich należy skorzystać? Jeśli szukasz efektywnego systemu chłodzącego o niewielkim rozmiarze, wybierz mieszki piezoelektryczne. Są one na tyle zgrabne, że dopasują się do praktycznie każdego miejsca. Jeśli przestrzeń Cię nie ogranicza, warto zastosować chłodzenie cieczą. Jeżeli chodzi natomiast o kwestię samej konserwacji, to wydaje mi się, że mamy remis pomiędzy chłodzeniem piezoelektrycznym, a tym z wykorzystaniem tradycyjnych wentylatorów. Remis, ponieważ w dalszym ciągu nie do końca jasne jest to, w jaki sposób na dłuższą metę należy dbać o mieszki piezoelektryczne.

Znasz już najbardziej powszechne systemy chłodzenia, także możesz w końcu zaprojektować swoją gorącą płytkę PCB. Idealnym miejscem, aby to zrobić, jest natomiast CircuitStudio^®. Oprogramowanie to ma więcej przydatnych funkcji niż jesteś to sobie w stanie wyobrazić, a tworzenie przy jego użyciu każdego pojedynczego projektu jest wręcz dziecinną igraszką.

Masz więcej pytań dotyczących technik chłodzenia? Skontaktuj się z ekspertem z Altium, który z przyjemnością odpowie na wszystkie Twoje pytania.