
- •Корягин н.Д. Учебное пособие по курсу «Технические средства информатизации»
- •Тема 1. Введение. Базовая конфигурация персонального компьютера.
- •Тема 2. Процессоры
- •Тема 3. Материнские платы. Чипсеты.
- •Тема 4. Основная память. Кэш-память. Видеокарты. Видеопроцессоры
- •Тема 5. Накопители на магнитных и оптических носителях. Флэш-память
- •Тема 6. Звуковоспроизводящие системы. Средства распознавания речи. Виды корпусов и блоков питания. Системы охлаждения
- •Тема 7. Устройства вывода. Устройства ввода информации
- •Тема 8. Устройства передачи и приёма информации. Нестандартные периферийные устройства. Многофункциональные устройства
- •Тема 9. Выбор оптимальной конфигурации оборудования в соответствии с решаемой задачей. Ресурсо- и энергосберегающие технологии использования вычислительной техники
- •Тема 1. Введение. Базовая комплектация персонального компьютера
- •1.1. История развития вычислительной техники
- •1. Устройства ввода информации.
- •6. Многофункциональные устройства.
- •1.2. Классификация вычислительной техники
- •1.3. Классификация персональных компьютеров
- •1.3.1. Различные подклассы персональных компьютеров
- •1.4. Характеристики компьютеров
- •1.5. Устройство персонального компьютера
- •1.6. Базовая аппаратная конфигурация компьютера
- •Тема 2. Процессоры
- •2.1. Основные характеристики центрального процессора
- •2.2. Технология изготовления процессоров
- •2.3. Типы процессоров
- •2.4. Процессоры, выпускаемые различными фирмами - производителями
- •2.4.1. Процессоры, выпускаемые фирмой Intel
- •2.4. 2. Процессоры, выпускаемые фирмой amd
- •Тема 3. Материнские платы. Чипсеты.
- •3.1. Материнская плата – основные понятия и определения
- •1. Звуковая карта.
- •3.2. Основные параметры материнской платы
- •3.3. Рациональный выбор материнской платы
- •3. 4. Системный интерфейс
- •3.5. Чипсеты
- •3.5.1. Чипсеты компании Intel
- •3.5.2. Чипсеты компании nvidia
- •3.5.3. Чипсеты компании SiS
- •3.5.4. Чипсеты компании via
- •3.5.5. Чипсеты ati
- •3.5.6. Чипсеты компании uLi
- •Тема 4. Основная память. Кэш-память. Видеокарты. Видеопроцессоры
- •4.1. Основная память
- •4.2. Оперативная память
- •4.2.1. Модули оперативной памяти
- •4.4. Видеопроцессоры
- •4.5. Видеокарты
- •4. 5. 1. Технологии повышения реалистичности трёхмерного изображения
- •Тема 5. Накопители на магнитных и оптических
- •5.1. Накопители на жёстких магнитных дисках
- •5.1.1. Интерфейсы
- •5.1.2. Производители жёстких дисков
- •5.2. Raid-массивы и их классификация
- •5.3. Накопители на оптических дисках
- •5.3.1. Оптические носители
- •5.4. Флэш – память
- •Тема 6. Звуковоспроизводящие системы. Средства распознавания речи. Виды корпусов и блоков питания. Системы охлаждения
- •6.1. Звуковая карта
- •6.1.1. Интегрированная звуковая подсистема
- •6.2. Средства распознавания речи
- •6.3. Корпус персонального компьютера
- •6.4. Блоки питания
- •6.5. Системы охлаждения
- •Тема 7. Устройства ввода. Устройства вывода
- •7. 1. Устройства ввода информации
- •Клавиатура персонального компьютера
- •7.1.3. Сканеры
- •Устройства вывода
- •7.2.1. Монитор
- •7.2.2. Принтеры
- •7.2.3. Плоттеры
- •7.2.4. Средства мультимедиа
- •Тема 8. Устройства передачи и приёма информации.
- •8.1. Устройства передачи и приёма информации
- •8.1.1. Модемы
- •8.1.2. Сетевые адаптеры
- •Нестандартные устройства ввода
- •8.3. Многофункциональные устройства
- •Тема 9. Выбор оптимальной конфигурации оборудования ресурсо- и энергосберегающие технологии использования вычислительной техники
- •9.1. Понятие сбалансированной конфигурации персонального компьютера
- •9.1. 1. Выбор оптимальной конфигурации персонального компьютера
- •9. 2. Тестирование компьютеров
- •9.2. 1. Примеры выбора оптимальной конфигурации различных типов компьютеров
- •9.3. Технологии, поддерживаемые процессорами
- •9. 4. Выбор операционной системы для персонального компьютера
6.5. Системы охлаждения
Давно уже канули в небытие те времена, когда в компьютерах использовалось пассивное охлаждение. Такие компьютеры были абсолютно бесшумными, но и малопроизводительными. По мере роста производительности процессоров и других компонентов компьютеров росло и их энергопотребление, и, как следствие, компоненты компьютеры становились все более «горячими».
Процессоры стали оснащать массивными радиаторами, а вскоре к ним добавились и вентиляторы, то есть пассивное охлаждение процессоров уже не могло обеспечить требуемый теплоотвод для обеспечения допустимой температуры, и стало использоваться воздушное охлаждение. По мере роста тактовых частот процессоров увеличивалась и эффективность теплоотвода, что достигалось использованием более массивных радиаторов и более быстрых вентиляторов.
Появились радиаторы на тепловых трубках, альтернативные системы водяного охлаждения, системы охлаждения с использованием термоэлектрических модулей Пельтье. Кроме того, постепенно радиаторами стали оснащаться графические карты, чипсет, память и даже отдельные микросхемы на материнских платах. Ну а если добавить к этому еще и систему охлаждения процессора, видеокарты, радиаторы, устанавливаемые на модули памяти, то становится понятно, что источников тепловыделения в современном компьютере достаточно много, и для нормальной работы всей этой сложной системы требуется создание эффективной системы теплоотовода.
В настоящее время разработано достаточно большое количество систем охлаждения, которые отличаются друг от друга принципом функционирования системы теплоотвода, то есть среды, используемой для отвода тепла.
По системам теплоотвода системы охлаждения можно разделить на следующие категории:
- пассивные системы охлаждения на основе радиаторов;
- системы охлаждения на основе тепловых трубок;
- воздушные системы охлаждения;
- жидкостные системы охлаждения;
- системы охлаждения на основе модулей Пельтье.
Пассивные системы охлаждения на основе радиаторов
Традиционная система охлаждения процессора или любой горячей микросхемы, называемая кулером, включает в себя радиатор и вентилятор. Радиатор необходим для того, чтобы увеличить интенсивность теплообмена между процессором и окружающим пространством. Радиаторы выполняются из алюминия, меди или из комбинации обоих металлов.
Радиаторы должны отвечать определенным требованиям. Во-первых, они должны быстро забирать тепло от процессора, во-вторых, хорошо проводить тепло от своей нижней (горячей) поверхности к верхней (холодной) поверхности и, в-третьих, эффективно рассеивать это тепло в окружающее пространство.
Передача тепла
между процессором и радиатором (процесс
теплоотдачи) зависит от разности
температур на границе двух сред, от
площади контакта и от контактирующих
материалов:
где W - передаваемое в единицу времени количество теплоты (тепловой поток);
S - площади контакта;
-
разность температур;
- коэффициент теплоотдачи, зависящий
от контактирующих материалов.
Аналогично можно записать тепловой поток между радиатором и окружающей средой. Эффективность процесса передачи тепла внутри самого радиатора (процесс теплопроводности) зависит от разности температур между горячей и холодной поверхностями радиатора, поперечного сечения радиатора и его высоты:
Тепловое сопротивление радиатора является его важнейшей технической характеристикой и показывает, насколько изменится температура поверхности микросхемы относительно температуры окружающего пространства при отводе 1 Вт тепловой мощности через данный радиатор. Если, к примеру, известно, что тепловое сопротивление радиатора составляет 1 °С/Вт, типичная температура окружающего пространства 40 °С, а тепловая мощность микросхемы 10 Вт, то температура поверхности микросхемы при отводе тепла через данный радиатор будет на 10 °С выше, чем температура окружающего пространства, то есть составит 50 °С
Мощность тепловыделения современного процессора Intel Pentium 4 с тактовой частотой 3,8 ГГц составляет 130 Вт. При этом температура поверхности процессора не должна превосходить 80 °С. Если учесть, что типичная температура воздуха внутри ПК составляет порядка 50 °С, то несложно подсчитать, что тепловое сопротивление радиатора для такого процессора должно составлять не более 0,23 °С/Вт. Столь малым тепловым сопротивлением не обладает ни один пассивный радиатор. Кардинально уменьшить его тепловое сопротивление можно при использовании дополнительного вентилятора. Вентилятор создает принудительную конвекцию воздуха, что способствует возрастанию эффективности теплообмена между радиатором и окружающим пространством.
Поэтому для уменьшения теплового сопротивления в купе с радиатором используется и вентилятор, а их совокупность называют кулером. Отметим, что тепловое сопротивление современных процессорных кулеров 0,2 °С/Вт и более.
Рассмотрим примеры кулеров.
Кулер ARCTIC COOLING Freezer 7 Pro от компании ARCTIC COOLING предназначен для процессоров Intel с разъемом LGA775.
Как следует из технической документации на сайте производителя, данный кулер можно использовать вкупе с любыми процессорами Intel, включая старшие модели серии Intel Core 2 Extreme Quad.
Данный кулер имеет четырёхконтактный разъём и поддерживает технологию изменения скорости вращения вентилятора как за счет изменения напряжения питания, так и за счёт широтно-импульсной модуляции напряжения (PWM).
Кулер cRadia TFC120 от корейской компании cRadia имеет универсальную систему крепления и предназначен для процессоров Intel с разъёмом LGA 775 и Socket 478 (хотя этот разъем уже практически не встречается), а также для процессоров AMD с разъёмом AM2 и Socket 754/939/940. Таким образом, данный кулер можно использовать в сочетании с любыми процессорами.
Системы охлаждения на основе тепловых трубок
Собственно, сам термин «тепловая труба» (Heat Pipe) далеко не новый. Впервые идея использования тепловой трубы в качестве устройства с высокой теплопроводностью была предложена Голгером еще в 1942 году, однако такие трубы и радиаторах процессоров пока еще распространены мало.
Итак, остановимся прежде всего на принципе действия тепловой трубы. Прототипом тепловой трубы был термосифон, поэтому сначала следует рассмотреть принцип действия этого устройства.
Принцип действия термосифона достаточно прост и основан на таком хорошо известном физическом явлении, как конвекция.
Простейший термосифон представляет собой полую трубку, например, из меди, внутри которой имеется небольшое количество рабочей жидкости. Жидкость может быть различной, все зависит от характерных температур. Для температур от 0 до 300 °С в качестве рабочей жидкости может использоваться вода. После добавления жидкости из корпуса термосифона откачивают воздух, а корпус запаивают (герметизируют).
Термосифон располагается вертикально, а конец с жидкостью помещается в область повышенной температуры. При подводе тепла жидкость начинает превращаться в пар (зона испарения). Из курса физики известно, что процесс парообразования происходит при любой температуре, однако только до тех пор, пока давление пара над жидкостью не станет насыщенным. На скорость парообразования влияют такие факторы, как температура жидкости и давление. Для того чтобы повысить интенсивность парообразования при температурах, которые значительно ниже температуры кипения жидкости (имеются в виду температуры кипения при нормальном атмосферном давлении), как раз и создается разреженное давление внутри термосифона.
Образующийся при нагревании пар в результате конвекции движется вверх, то есть в зону с меньшей температурой. В результате остывания пар конденсируется и стекает по стенкам термосифона вниз. Итак, мы рассмотрели простейшую модель тепловой трубы (точнее, термосифона), обладающей теплопроводностью, которая в сотни раз выше аналогичной по геометрии цельной медной трубки.
Для эффективного теплоотвода с помощью такого термосифона необходимо обеспечить постоянный отвод тепла от зоны конденсации, что можно сделать с помощью радиатора. Таким образом, необходимо, чтобы всегда был градиент температуры и чтобы температура зоны конденсации была достаточной для конденсации пара. Отметим, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, так как скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.
Рассмотренный принцип действия термосифона достаточно хорошо известен, так как уже на протяжении многих десятков лет используется в самогонных аппаратах. Единственное отличие термосифона от самогонного аппарата заключается в том, что в самогонном аппарате образующийся конденсат не возвращается обратно, а используется по прямому назначению, то есть «в медицинских целях».
Именно необходимость возврата сконденсировавшейся жидкости в зону испарения исключает использование термосифона иначе, как в горизонтальном положении. В этом случае жидкость стекает вниз под действием гравитационных сил, поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации. В этом заключается главный недостаток термосифона, ограничивающий его использование в системах охлаждения процессоров.
Для построения более универсальных систем охлаждения требуется, чтобы теплоотвод осуществлялся при любом положении трубы, а не только при вертикальном. Однако для этого необходимо предусмотреть иной механизм возврата конденсата в зону испарения, то есть не под действием, а, возможно, вопреки действию гравитационных сил. Таким механизмом возврата может служить капиллярный эффект.
Идея достаточно проста: если опустить в вертикальном положении конец тряпки или веревки в стакан с водой, то через некоторое время вся тряпка станет мокрой, поскольку за счет капиллярного эффекта вода будет подниматься по тряпке вверх против действия гравитационных сил. На этом простом принципе основана работа таких бытовых приборов, как спиртовая горелка или керосинка, так что и здесь нет ничего нового.
Итак, добавляем в термосифон капиллярный пористый материал (фитиль) и получаем тепловую трубу. Впервые такая тепловая труба была предложена Гровером в 1963 году.
В тепловой трубе в качестве сил, поднимающих конденсат против сил гравитации, используются капиллярные силы, возникающие при смачивании жидкостью капиллярно-пористого материала. В отличие от термосифона, тепловая труба работает в любом положении.
Тепловые трубы, используемые для системы охлаждения процессоров, обычно изготавливаются из меди. При этом корпус тепловой трубы должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами и обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от неё. Диаметр тепловой трубы может быть различным, однако должно соблюдаться условие, чтобы внутренний диаметр полости исключал действие капиллярных сил, то есть чтобы паровой канал не превратился в капиллярный.
В качестве рабочей жидкости могут использоваться различные вещества, но они должны отвечать определенным требованиям. Прежде всего, рабочая жидкость должна иметь точку фазового перехода жидкость - пар в требуемом диапазоне рабочих температур. К тому же, жидкость должна обладать достаточно большой удельной теплотой парообразования, так как чем выше удельная теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости.
Кроме того, жидкость должна обладать высокой теплопроводностью, чтобы свести к минимуму перепад температур между стенкой трубки и поверхностью испарения. Предпочтительнее использование жидкостей с высоким поверхностным натяжением, так как в этом случае жидкость будет обладать ярко выраженным капиллярным эффектом.
Для охлаждения процессоров в качестве рабочей жидкости можно использовать воду (диапазон рабочих температур от 30 до 200 °С) или ацетон (диапазон рабочих температур от 0 до 120 °С).
Капиллярно-пористый материал, используемый в тепловых трубках, должен быть достаточно мелкопористым для улучшения капиллярного эффекта, но в то же время слишком мелкопористая структура будет препятствовать проникновению жидкости. Поэтому выбор материала для фитиля зависит и от рабочих температур, и от общей длины тепловой трубки.
Единственное различие между кулерами APACK ZEROtherm BTF90 и APACK ZEROtherm BTF80 от компании APACK заключается в том, что в первом из них используется медный радиатор, а во втором - алюминиевый.
Благодаря универсальной системе крепления (применяются различные монтажные рамки) эти кулеры совместимы как с процессорами Intel с разъёмом LGA 775, так и с процессорами AMD с разъёмами Socket 754, 939, 940 и AM2.
По форме радиаторы кулеров APACK ZEROtherm BTF90/BTF80 относятся к башенному типу. Они представляют собой тонкие пластины, выполненные в форме бабочки, которые насажены на вертикально расположенные тепловые трубки. Всего в радиаторе используется 46 тонких пластин, однако каждая пластина разделена на две не соприкасающиеся друг с другом части (левое и правое крыло «бабочки»). Суммарная площадь теплорассеивания радиатора составляет 4404 см2.
Кулеры APACK ZEROtherm CF900/CF800 предназначены для применения в сочетании с процессорами Intel с разъёмом LGA 775. Крепление кулеров к материнской плате производится с помощью болтов, которые вкручиваются в монтажную рамку, устанавливаемую с тыльной стороны платы.
Единственное различие между кулерами APACK ZEROtherm CF900 и APACK ZEROtherm CF800 заключается в том, что в модели APACK ZEROtherm CF900 используется медный радиатор, а в модели APACK ZEROtherm CF800 - алюминиевый.
По форме радиаторы кулеров APACK ZEROtherm BTF90/BTF80 можно отнести к категории низкопрофильных радиаторов с вертикальным расположением пластин.
Радиаторы этих кулеров представляют собой тонкие пластины, насаженные на горизонтально расположенные тепловые трубки. В радиаторах кулеров применяются четыре тепловые трубки, которые проходят через теплосъёмный элемент, выполненный из меди.
Сверху радиатора находится 92-миллиметровый семилепестковый вентилятор. Он имеет трёхконтактный разъём питания и поддерживает технологию изменения напряжения питания для управления скоростью вращения. Согласно технической документации, скорость вращения вентилятора меняется в диапазоне от 900 до 2300 об./мин. Естественно, обращать внимание на указанные цифры бессмысленно, поскольку они не имеют никакого отношения к действительности.
Эти кулеры оптимизированы для использования с процессорами семейства Intel Core 2 Duo и Intel Core 2 Extreme, то есть способны справиться с охлаждением даже самых горячих процессоров.
Воздушные системы охлаждения
Как уже отмечалось, для уменьшения теплового сопротивления кулеры оснащаются вентиляторами. Конечно же, вентиляторы используются не только в купе с радиаторами, но и отдельно для создания принудительной конвекции воздуха внутри системного блока (или блока питания). Основу всех современных вентиляторов, используемых в ПК, составляет двигатель постоянного тока с напряжением питания 12 В.
Кроме двигателя в вентиляторе имеется схема управления, которая индуцирует вращающееся магнитное поле, в результате чего приводится в движение ротор двигателя. Схема управления вентилятором может включать в себя и тахометрический контроль для мониторинга скорости вращения, и цепи защиты детектирования остановки вентилятора, и даже термодатчик для контроля температуры радиатора.
Вентиляторы могут быть выполнены на подшипниках скольжения (sleeve bearing) и подшипниках качения (ball bearing). Используются также и комбинированные схемы из одного подшипника скольжения и одного подшипника качения. Кроме того, могут использоваться два подшипника качения.
Вентиляторы на основе подшипников скольжения наиболее просты в изготовлении. Однако они довольно шумные, а срок их эксплуатации недолог. Причем со временем уровень шума, создаваемого таким подшипником, только увеличивается.
Вентиляторы на основе подшипников качения сложнее, но и качественнее. Во-первых, они надёжнее в работе, а во-вторых, значительно менее шумные в сравнении с подшипниками скольжения. Все вентиляторы так называемых «бесшумных серий» (Silent Series) основаны именно на подшипниках качения.
Кроме типов используемых подшипников и особенностей схем контроля работы двигателя, вентиляторы характеризуются также производительностью, скоростью вращения, типоразмером и уровнем шума.
Производительность вентилятора Q является его важнейшей технической характеристикой и определяет объем воздуха, прокачиваемый вентилятором в единицу времени. Производительность вентилятора принято выражать в кубических футах в минуту (Cubic Feet per minute, CFM). Типичные значения производительности вентиляторов - от 10 до 50 CFM.
Жидкостные системы охлаждения
Принципиальная разница между воздушным и жидкостным охлаждением заключается в том, что в последнем случае для переноса тепла вместо воздуха используется жидкость, обладающая большей, по сравнению с ним, теплоемкостью. Для этого вместо воздуха через радиатор прокачивается жидкость, вода или другие подходящие для охлаждения жидкости. Циркулирующая жидкость обеспечивает гораздо лучший теплоотвод, чем поток воздуха.
Другое различие заключается в том, что жидкостные системы охлаждения гораздо компактнее традиционных воздушных кулеров. Именно поэтому первыми стали применять жидкостное охлаждение на серийных устройствах производители ноутбуков.
С точки зрения конструкции системы принудительной циркуляции жидкости по замкнутому контуру системы жидкостного охлаждения можно разделить на два типа:
-внутренние;
- внешние.
Никакого принципиального различия между внутренними и внешними системами не существует. Разница заключается лишь в том, какие функциональные блоки находятся внутри корпуса, а какие снаружи.
Принцип действия жидкостных систем охлаждения достаточно прост и напоминает систему охлаждения в автомобильных двигателях. Холодная жидкость (как правило, дистиллированная вода) прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств, в которых она нагревается (отводит тепло). После этого нагретая жидкость поступает в теплообменник, в котором обменивается теплом с окружающим пространством и охлаждается.
Для эффективного теплообмена с окружающим пространством в теплообменниках, как правило, используются вентиляторы. Все компоненты конструкции соединяются между собой гибкими силиконовыми шлангами диаметром 5-10 мм. Для того чтобы заставить жидкость циркулировать по замкнутому корпусу, используется специальный насос - помпа.
Посредством систем жидкостного охлаждения тепло отводится от центральных процессоров и графических процессоров видеокарт. При этом жидкостные радиаторы для графических и центральных процессоров различаются между собой. Для графических процессоров они меньше по размеру, однако принципиально ничем особенным друг от друга не отличаются.
Эффективность жидкостных радиаторов определяется площадью контакта его поверхности с жидкостью, поэтому для увеличения площади контакта внутри жидкостных радиаторов устанавливают ребра или столбчатые иголки.
Во внешних жидкостных системах охлаждения внутри корпуса компьютера размещается только жидкостный радиатор, а резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа и теплообменник, помещенные в единый блок, выносятся за пределы корпуса ПК.
Системы охлаждения на основе модулей Пельтье
По мере увеличения мощности процессоров и графических карт проблема тепловыделения ПК становится все более актуальной. Традиционные воздушные системы охлаждения уже почти исчерпали свои возможности. На смену им постепенно приходят альтернативные системы охлаждения, например жидкостные. Все большее распространение получают и системы охлаждения на основе так называемых термоэлектрических модулей Пельтье.
Эффект Пельтье относится к термоэлектрическим явлениям и заключается в том, что если через контакт двух разнородных проводников пропустить электрический ток, то в контакте происходит или поглощение, или выделение тепла в зависимости от направления тока. Величина выделяемого (поглощаемого) тепла зависит от вида контактируемых проводников, силы тока и времени его прохождения, то есть количество тепла прямо пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:
где
-
коэффициент Пельтье, зависящий от
свойств контактирующих проводников.
Индекс «12» означает, что ток предполагается направленным от проводника 1 к проводнику 2. При изменении направления тока на обратное вместо выделения теплоты наблюдается ее поглощение, и наоборот. Следовательно:
Общая причина выделения (поглощения) теплоты Пельтье заключается в следующем. Электроны при движении в проводниках переносят не только заряд, но и потенциальную и кинетическую энергию, то есть при наличии тока в проводнике существует определенный поток энергии. При одной и той же плотности электрического тока (а при контакте двух проводников плотность тока в них одинакова) плотности потоков энергии в различных проводниках, вообще говоря, различны.
Это означает, что энергия, втекающая в контакт двух проводников в единицу времени, не равна энергии, вытекающей из контакта в единицу времени. Если втекающая энергия больше вытекающей, то разница этих энергий выделяется в виде тепла Пельтье, если же, наоборот, втекающая энергия меньше вытекающей, то недостающая энергия должна поглощаться (поглощение теплоты Пельтье).
При упрощенном рассмотрении можно считать, что в случае, когда втекающая энергия больше вытекающей, кинетическая энергия электронов в первом проводнике больше, чем во втором.
При переходе электронов во второй проводник они тормозятся, передавая часть своей кинетической энергии кристаллической решетке и тем самым «разогревая» её. Это и есть выделение тепла Пельтье.
Во втором случае, когда втекающая энергия меньше вытекающей, электроны при переходе во второй проводник ускоряются, отбирая недостающую энергию у кристаллической энергии, что приводит к ее охлаждению. В этом случае тепло Пельтье поглощается.
Явление Пельтье можно понимать и несколько иначе. При соприкосновении двух разнородных проводников возникает так называемая контактная разность потенциалов, то есть контактное электрическое поле. При прохождении электрического тока через контакт контактное поле будет либо способствовать, либо препятствовать прохождению тока. Если контактное поле препятствует прохождению тока, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приводит к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он поддерживается этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества (кристаллической решётки), что приводит к охлаждению контакта.
Известно, что наиболее сильно эффект Пельтье выражен в полупроводниках, что связано с большей энергетической разностью зарядов.
Модуль Пельтье
Применяя эффект Пельтье, можно создать различные термоэлектрические охлаждающие устройства. Наиболее широкое распространение получили так называемые термоэлектрические модули (ТЭМ) Пельтье. Принцип работы этих модулей достаточно прост. ТЭМ представляет собой массив полупроводников р- и n-типов, последовательно соединенных между собой медными проводниками (массив переходов полупроводник - металл).
Рассмотрим принцип действия ТЭМ на примере двух соединенных между собой медными контактами полупроводников р- и n-типов, то есть массив четырех переходов металл - полупроводник. Допустим, ток направлен от полупроводника n -типа к полупроводнику р- типа. Напомним, что за направление тока выбирается направление, обратное к упорядоченному движению электронов в металле, поэтому, двигаясь по замкнутому контуру цепи, электроны будут преодолевать переходы в следующем порядке: медь - полупроводник р- типа, полупроводник р- типа - медь, медь - полупроводник n-типа, полупроводник n -типа - медь.
Термоэлектрические модули Пельтье нашли широкое применение в различных системах охлаждения, в том числе и в системах охлаждения персональных компьютеров.
На основе модулей Пельтье построены модели процессорных кулеров и кулеров для видеокарт. В таких кулерах холодная керамическая пластина модуля Пельтье приводится в соприкосновение с горячей поверхностью охлаждаемого элемента (например, процессора), а к горячей пластине прикрепляется радиатор с вентилятором для отвода тепла.
Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надёжностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. Для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.
Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств.
К важнейшим характеристикам модулей Пельтье относятся следующие особенности эксплуатации:
- модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла.
- использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера;
- модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. С учётом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт.
Всё это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов конструктива ATX с блоками питания достаточной мощности. Использование данного конструктива облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов. Следует отметить, что существуют холодильники Пельтье с собственным блоком питания.
Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.
Существуют модули Пельтье отечественного производства. Это простые, надёжные устройства. Как правило, охлаждающий вентилятор не входит в состав. Тем не менее, подобные модули позволяют не только познакомиться с перспективными средствами охлаждения, но и использовать их по прямому назначению в системах защиты компьютерных компонентов. Вот краткие параметры одного из образцов.
Размер модуля - 40ґ40 мм, максимальный ток - 6 А, максимальное напряжение - 15 В, потребляемая мощность - до 85 Вт, перепад температур - более 60 °C. При обеспечении мощного вентилятора модуль способен защитить процессор при рассеиваемой им мощности до 40 Вт.