Regulación de las curvas de los ventiladores de un PC

De un tiempo a esta parte, concretamente desde que monté mi último ordenador de sobremesa, me he dado cuenta de la importancia de la ventilación en este tipo de equipos «potentes». Como hasta ahora no había tenido una tarjeta gráfica de cierta entidad y casi nunca había tenido problemas de calentones informáticos, era algo que siempre dejé de serie en mis ordenadores anteriores, pero en esta ocasión ha sido un punto importante en su diseño y de eso precisamente quería hablaros hoy.

Empecemos con una visión global de las cosas; y es que dentro de un PC actual hay dos elementos que necesitan refrigeración adicional: la tarjeta gráfica y la CPU. En los albores de la informática esto rara vez era necesario porque el número de transistores y su velocidad de funcionamiento eran relativamente bajos, pero con la carrera por el rendimiento cada vez estamos metiendo más potencia de cálculo en chips que consumen un montón de electricidad, lo que conduce a unas temperaturas de funcionamiento cada vez más elevadas. Y claro, si no somos capaces de disipar ese calor, nuestros preciados y carísimos componentes electrónicos se achicharrarían en pocos minutos.

Ahí es donde entran en acción los disipadores, que sirven para transferir el calor que se genera en el chip al aire circundante. Los primeros eran simplemente unas aletas de aluminio y ahora, para obtener un mejor rendimiento de refrigeración, aunque se siguen basando en el mismo principio de funcionamiento añaden ventiladores cada vez más grandes para refrescar esas aletas y que así puedan hacer su trabajo.

La tarjeta gráfica es, con diferencia, el componente que más calor disipa a día de hoy en un ordenador personal. Una tarjeta de gama media actual (mi RTX 2060 sin ir más lejos) llega a consumir unos 200 vatios ella solita cuando se le exige el máximo rendimiento, dispándose buena parte de los mismos en forma de calor, por lo que las gráficas actuales suelen contar con varios ventiladores y un disipador de tal tamaño que podríamos hacer unas salchichas sobre él.

La CPU por su parte no consume tanto (un procesador de gama media como el Ryzen 7 3700x que tengo ahora mismo consume unos 80 vatios de pico) pero también necesita un disipador hermoso y un ventilador de buen diametro para mantener su temperatura a raya porque esta se eleva con gran rapidez al ser un componente de pequeño tamaño. Para que os hagáis una idea, el límite de funcionamiento de mi microprocesador son 95 grados centígrados, que es prácticamente la temperatura a la que hierve el agua en un cazo, por lo que llevado al extremo os podéis imaginar el calorazo que desprende ese pequeño cuadrado metálico de 5 x 5 cm.

Pues bien, lo que hacen los sistemas de refrigeración de estos dos componentes cuando están en funcionamiento es contener la temperatura a base de intercambiar calor con el aire que hay dentro de la caja del PC, de modo que también es importante extraer el aire caliente de ahí dentro sustituyéndolo por aire fresco para que los disipadores que os decía hace un momento puedan hacer bien su trabajo. Y de eso se encargan los ventiladores de la caja del ordenador, que es otro de los puntos de este artículo, pues me ha llevado tiempo regularlos hasta dejar este aspecto a mi gusto y me gustaría contaros cómo lo he hecho.

Una vez descritos los dos elementos principales generadores de calor en un ordenador actual y vista la importancia de hacer circular el aire dentro de la caja vamos a hablar de la regulación de cada uno de estos tres elementos.

Tarjeta gráfica

Como os decía antes, éste suele ser el elemento que más calor genera dentro de la caja de un PC actual. No hay más que ver que la temperatura de la caja apenas se incrementa durante los benchmarks realizados al microprocesador pese a que este se ponga a unos 80 grados durante un buen rato, pero se eleva con cierta rapidez cuando es la tarjeta gráfica la que trabaja al límite de sus posibilidades como cuando lanzo el popular test FurMark. o le estoy dando caña un buen rato a Cyberpunk 2077.

Muchas gráficas tienen prefijada la opción de tener sus ventiladores parados hasta llegar a cierta temperatura (la mía sin ir más lejos). A diferencia de la BIOS del PC a estas normalmente no se les puede hacer poder variar el comportamiento de la refrigeración por hardware, pero sí que podemos hacerlo desde Windows con alguna aplicación del fabricante de la tarjeta o bien con la que para mi gusto es la que mejor funciona: MSI Afterburner.

En mi caso, como podéis ver en la curva que hay sobre estas líneas, prefiero que los ventiladores estén funcionando a baja velocidad desde el arranque y que luego progresivamente vayan subiendo de velocidad para pegar un último sprint si nos acercamos a los 80 grados, que empieza a ser ya una temperatura un poco excesiva. Con la configuración que veis la gráfica se me pone como mucho a 72 grados si estoy un par de horas dándole caña a juegos muy exigentes (Quake II RTX es un buen ejemplo de ello al estar toda la iluminación generada mediante Raytracing) o haciendo algún test de estrés de 3D Mark. Comentar que a partir de 83 grados la 2060 comienza a hacer thermal throttling para autoprotegerse, de modo que no conviene acercarse mucho a ese límite.

Microprocesador

Aquí la estrategia es también similar, pero en este caso como el ventilador del disipador que le he colocado recientemente es realmente silencioso he sido algo más permisivo y parto de una velocidad en idle más alta, ya que eso me permite aguantar pequeñas subidas de temperatura sin que lleguemos a tener que incrementar su velocidad. En cualquier caso, al contrario que en el Writh Prism que trae de serie el 3700x donde los cambios de velocidad por pequeños que fueran se notaban un montón, en el caso del Nox Hummer H212 que tengo ahora mismo hay que afinar mucho el oído para notar que el ventilador está acelerando o decelerando.

A diferencia de la tarjeta gráfica esta curva es directamente configurable desde la BIOS del PC, y aunque cada fabricante tiene su sistema, todos se basan en una serie de puntos sobre unas ejes de temperatura/velocidad de ventilador; de modo que ajustarlo es algo bastante intuitivo.

Aquí parto de un 50% mientras el micro no supere los 40 grados, y ya a partir de ahí voy incrementando velocidad hasta llegar a los 70 grados, momento en el que entraríamos en un punch final en el que a 75 grados o más iríamos al 100% de velocidad. Esto sí que he llegado a verlo en tests tipo CPU-Z y similares, pero por lo que veo no pasa de los 80 grados en estos casos extremos que os digo, por lo que todavía entramos dentro de lo que se considera normal para estos micros de AMD y más si estas temperaturas se alcanzan de una forma esporádica y puntual. En este caso la fiesta del thermal throttling comienza a los 95 grados, de modo que andamos con margen de movimiento incluso en las situaciones más extremas.

Sistema

El sistema es la temperatura interior de la caja del ordenador. Como os decía antes, en mi caso viene determinada principalmente por la carga de la tarjeta gráfica puesto que el microprocesador, debido a que tiene el ventilador trasero justo detrás del disipador, expulsa el aire caliente rápidamente al exterior. Sin embargo, la RTX 2060 evacua una gran cantidad de calor a través de su propio disipador que sube hacia la parte superior por el interior de la caja a diferencia de las tarjetas gráficas con ventilación «tipo turbina» que expulsan el aire directamente al exterior a través de unos conductos específicos que salen a la parte trasera del PC a cambio de hacer un ruido exagerado.

Tengo un total de 5 ventiladores de caja de 120 mm controlados desde la BIOS por esta función: dos de ellos en el frontal metiendo aire, dos en la parte superior sacando y otro más en la parte trasera también sacando el aire caliente (mi placa sólo tiene un puerto SYS_FAN, de modo que para poder conectarlos y que regulen he hecho uso de un hub específico para ventiladores PWM). Puesto que el aire al calentarse tiende a subir, la estrategia más adecuada es meter aire por la parte inferior de la caja y expulsarlo por la superior, que es lo que he hecho con este setup.

Estos ventiladores hacen algo de ruido cuando están a muchas RPM, por lo que mi estrategia ha sido en este caso que estén al 29% (unas 930 RPM) mientras la caja esté por debajo de 40 grados centígrados, que es la situación que se da siempre que no esté haciendo un uso intensivo de la gráfica, que a partir de ahí se eleve hasta llegar a un 60% a 65 grados y que si pasamos de esa temperatura incremente su velocidad hasta llegar a sus máximas RPMs a 80 grados, que sería una locura ya que los disipadores no serían capaces de refrigerar nada ahí dentro.

Esta refrigeración es la más laboriosa de regular, ya que a diferencia de micro y gráfica tiene bastante inercia y tanto las subidas como las bajadas de temperatura llevan unos minutos en notarse y, por tanto, las pruebas a realizar llevan bastante más tiempo. El micro tarda apenas unos segundos en llegar a su temperatura estable cuando estamos haciendo un test de estrés y en el caso de la gráfica puede llevar algo más, pero en apenas tres o cuatro minutos ya se empieza a estabilizar. La caja, para que estabilice su temperatura con el PC trabajando fuerte puede llevar del orden de 20 minutos, así que como os digo, dejar la curva a tu gusto va a requerir algo de paciencia.

En mi caso la temperatura de la caja se estabiliza sobre los 55 grados cuando gráfica y micro están trabajando a la vez a máxima potencia, de modo que estos cinco ventiladores giran a unas 1300 RPM y el ruido generado es más o menos llevadero. Cuando sí que hacen bastante ruido es justo en el instante de arrancar el PC, puesto que por defecto se ponen al 100% de velocidad (1800 RPM) durante un par de segundos hasta que se cargan las rutinas de la BIOS y a partir de ahí ya regulan mediante la curva que os mostraba antes, escuchándose nada más que un ligero zumbido si estamos en la misma habitación del PC.

Como os digo, usando durante horas aplicaciones que hagan un uso intensivo de micro y tarjeta gráfica, las temperaturas que obtengo se estabilizan en torno a 55 grados para la caja, 65 para la CPU y 70 para la gráfica sin que el ruido generado por la refrigeración sea especialmente molesto.

No son temperaturas altas para lo que se estila hoy en día en este tipo de componentes, pero como el frontal de mi caja es bastante cerrado soy consciente de que si tuviera un frontal de rejilla entraría más aire fresco y la temperatura de la caja bajaría unos grados y por tanto también la de los dos componentes principales cuyos disipadores estarían algo más frescos. Supongo que un día de estos me dará la ventolera de cambiar de caja aunque sólo sea por el bendito «cacharreo» (y sabéis que si estoy diciendo esto es porque ya lo tengo más que pensado y planeado).

¡Hasta el próximo artículo!

¿Qué es la regulación mediante PWM?

Hay un concepto que estudié en la carrera y que siempre me ha llamado poderosamente la atención: la modulación por anchura pulso, más conocida por sus siglas en inglés PWM (de Pulse Width Modulation).

Aunque es algo que se aplica a muchos ámbitos, me gustaría explicaros este concepto usando para ello unos dispositivos a los que estoy muy acostumbrado: las linternas LED. De este modo creo que os puedo narrar en qué consiste este tipo de regulación y poneros unos ejemplos muy visuales de ello. Vamos allá.

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Dos modos de regular una magnitud de naturaleza analógica

Os decía que emplearía linternas para explicaros la regulación PWM porque es una aplicación muy típica de este concepto y creo que es un ejemplo que todos podéis imaginaros por ser extremadamente simple.

Imaginad una linterna LED que cuente con un regulador de la intensidad lumínica. Es decir, que podemos seleccionar varios escalones entre una luz muy tenue y toda la que pueda dar el diodo LED que transforma la energía de las baterías en fotones.

La potencia lumínica de una linterna viene dada en términos generales por el producto de la tensión por la corriente que recibe el LED. Para simplificar nuestros cálculos vamos a suponer que el driver mantiene la tensión constante de tal modo que la regulación de la potencia se realiza variando nada más que la corriente entregada. Esta suposición tampoco es que se aleje mucho de la realidad, ya que lo habitual en las linternas LED es que posean un regulador de tensión que hace que al LED le llegue el mismo voltaje independientemente de la carga de la batería.

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Circuitería de control (driver) en la cabeza de una Olight i3E EOS

El modo «caro» de modificar el grado de iluminación que da la linterna es empleando un regulador que permita variar la intensidad de la corriente entregada al LED. De este modo la linterna emitirá cierta cantidad de luz de forma continuada. Si el LED requiere 80 mA para lucir al 100% de su capacidad, el regulador entregará 40 mA para que luzca a la mitad (50%), 20 mA para que luzca a una cuarta parte de su capacidad (25%), 72 mA para que luzca al 90%… Creo que el concepto queda claro, ¿no?

Lo que ocurre, como os decía antes, es que la circuitería necesaria para regular esta corriente suele ser más compleja (y por tanto de mayor coste) que la electrónica necesaria para regular por PWM, que es lo que vamos a ver ahora.

El ciclo de trabajo

La regulación por anchura de pulso es un modo digital de conseguir regular una magnitud de manera que parezca analógica. En esencia se trata de conmutar muy rápidamente entre los estados de encendido (con el LED al 100% de su potencia) y apagado jugando con el ciclo de trabajo de tal modo que la intensidad lumínica obtenida es la de dicho ciclo de trabajo.

Para entenderlo de un modo sencillo vamos a poner como ejemplo una linterna cuya frecuencia de conmutación sea de 100 Hz, lo que significa que cada segundo hacemos 100 ciclos ON-OFF; lo que equivale a decir que un ciclo ON-OFF dura una centésima de segundo. También supondremos que el LED a plena potencia consume los 80 mA que puse antes como ejemplo.

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Algunas linternas de mi colección

Pues bien, si durante esa centésima de segundo (que equivale a 10 milésimas de segundo) hacemos que nuestra circuitería electrónica mantenga el LED encendido durante las primeras 5 milésimas y lo apague las 5 siguientes tendremos un ciclo de trabajo del 50% y esa será la intensidad lumínica de la linterna con respecto a la que daría el LED continuamente a plena potencia.

Si la electrónica mantiene el LED encendido las primeras 2 milésimas y apagado las 8 siguientes tendremos un ciclo de trabajo del 20% y, por tanto, una intensidad lumínica inferior al caso anterior. Otro ejemplo sería tener el LED encendido las primeras 7 milésimas de cada ciclo y apagado los 3 restantes, lo que daría un ciclo de trabajo del 70% y una intensidad lumínica de ese mismo valor.

Si nos vamos a los casos extremos (algo que a los ingenieros nos encanta) vamos a ver que si tenemos el LED encendido durante las 10 milésimas tenemos un ciclo de trabajo del 100% que indica que la linterna está encendida a plena potencia. Del mismo modo, si el tiempo de encendido es de 0 milésimas y las restantes 10 milésimas está apagado, el ciclo de trabajo es del 0% y por tanto la linterna no emite luz alguna.

Un modo gráfico de ver todo esto

El ladrillo que os he escrito en los párrafos superiores es sencillo de entender si hacemos una gráfica de cada caso, que es lo que os voy a plantar a continuación:

En ella, tenéis en cada caso en el eje horizontal la evolución en el tiempo y el eje vertical los dos estados posibles del LED (ON y OFF) donde el estado ON implica un consumo de corriente de 80 mA y el estado OFF de 0 mA. Asumimos también que el cambio entre los dos estados se realiza de forma instantánea.

Pues bien, si consideramos la intensidad lumínica en cada uno de los casos como el área rayada que se genera en cada ciclo ON-OFF, haciendo una cuenta sencilla observamos que la modulación PWM equivaldría en términos lumínicos a una corriente constante del valor proporcional al ciclo de trabajo.

Por tanto, si queremos obtener una luminosidad del 20% de la nominal del LED podemos introducir un regulador analógico de corriente que de 16 mA o bien diseñar un regulador PWM funcionando con un ciclo de trabajo del 20%; siendo esta última solución, por lo general, más sencilla y económica.

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LED de una Olight i3S EOS en modo firefly (el más tenue de todos)

Desventajas de usar PWM

No todo van a ser bondades; y es que a la hora de diseñar un sistema regulado por PWM (en nuestro caso una linterna) es muy importante tener en cuenta la frecuencia de conmutación del dispositivo, ya que de no ser lo suficientemente rápida el ojo va a percibir un parpadeo que puede llegar a ser bastante molesto. En el caso de una bombilla incandescente no es un punto crítico porque su tiempo de encendido y apagado es de algunos milisegundos, de modo que los escalones del cambio de estado están muy amortiguados; pero en un LED que se enciende y se apaga en un tiempo prácticamente nulo, si no elegimos una frecuencia de conmutación lo suficientemente rápida enseguida vamos a notar ese irritante parpadeo.

Esto que os comento puedo mostrarlo con la ayuda de una cámara de fotos, así que os voy a dejar en primer lugar con una fotografía de una linterna regulada sin PWM (Olight i3S EOS) moviéndose rápidamente delante del objetivo:

Olight i3S EOS moviéndose delante de la cámara a su mínima potencia. No hay rastro de PWM

Como veis, el trazo dejado por la luz es una línea continua porque el LED está luciendo uniformemente en todo momento. Sin embargo, cuando hago esto mismo empleado una linterna regulada por PWM (una Nitecore Tube en este caso) vais a ver que el resultado es bien distinto:

Nitecore Tube moviéndose delante de la cámara a su nivel de potencia más bajo y mostrando un marcado PWM

¿Veis los encendidos y apagados del LED? Son debidos a que aunque a simple vista parece que la linterna luce de forma constante en realidad el PWM la está haciendo encenderse y apagarse a toda velocidad tal y como os comenté en el apartado anterior.

Pues bien, ya que estamos vamos a ver la frecuencia de conmutación del LED en este caso concreto, pues si miramos los datos EXIF de la imagen que hemos capturado vemos que el tiempo de exposición es de 1/50 seg. Si contamos el número de parpadeos que ha hecho el LED durante ese breve lapso de tiempo (se ve claramente que han sido 11 veces) podemos calcular que la frecuencia de conmutación es de aproximadamente 550 Hz.

Este modelo de linterna tiene una frecuencia de conmutación bastante baja en el modo más tenue, pero algo mayor en los modos intermedios y no emplea PWM en el modo más brillante (lógico, ya que el LED recibe toda la corriente que puede admitir). Ya que estamos vamos a ver esos dos casos más que os comento.

La Nitecore Tube posee una frecuencia de PWM más alta en los modos intermedios

En la imagen que tenéis aquí encima la linterna está funcionando a potencia intermedia y su frecuencia de conmutación es mayor que en el caso anterior. Para hacer la fotografía he empleado un tiempo de exposición de 1/400 seg y cuento 9 parpadeos del LED. Esto nos da una frecuencia de conmutación de aproximadamente 3200 Hz. En este caso el parpadeo es apenas perceptible por el ojo humano, lo que hace que su uso sea más relajado para la vista.

Me gustaría aclarar que la frecuencia de conmutación en estos modos intermedios de la Nitecore Tube es la misma para todos ellos, pero lo que va a variar entre unos y otros es el ciclo de trabajo tal y como hemos visto en el diagrama de tiempo que os dibujé anteriormente.

La Nitecore Tube no muestra ningún tipo de PWM en su potencia máxima

Si ponemos la linterna a plena potencia no se hace uso de PWM para regular, ya que en realidad no hay nada que regular debido a que el LED está recibiendo continuamente la corriente de encendido, de modo que el rastro que deja es perfectamente continuo.

Comparativa visual entre la Nitecore Tube (arriba) y la Olight i3S EOS (abajo) funcionando en sus modos de potencia más bajos

Por último, no quería dejar pasar la oportunidad de mover a la vez ambas linternas delante de la cámara funcionando a su mínima potencia para que podáis apreciar la diferencia entre la que va regulada por PWM y la que está regulada a corriente constante. Como podéis ver, mientras que una ha parpadeado 15 veces en los 1/40 seg que ha durado la exposición de la imagen (esto me da una frecuencia de PWM de unos 600 Hz) la otra ha dejado un rastro perfectamente continuo.

La importancia de la frecuencia de conmutación

Ya os habréis dado cuenta de que el ejemplo que os puse en papel era muy teórico porque en él os hablaba de una frecuencia de conmutación para el PWM de 100 Hz; pero lo hice para poder usar unos tiempos muy definidos y fácilmente entendibles. En caso de fabricar una linterna LED que implemente esa frecuencia de conmutación sería prácticamente una luz estroboscópica y acabaríamos mareados si hiciéramos uso de ella.

Daos cuenta de que en su modo más bajo la Nitecore Tube tiene una frecuencia de conmutación de entre 500 y 600 Hz y os aseguro que a simple vista se nota bastante. Sin embargo, a esos aproximadamente 3 KHz a los que conmuta en los modos intermedios el ojo ya no aprecia parpadeo; pero es que se trata de una frecuencia 30 veces superior a la del ejemplo que os puse, por lo que os podéis hacer una idea de la velocidad a la que es capaz de encenderse y apagarse un LED. Para que os hagáis una idea, conmutar a 3000 Hz significa que el ciclo de encendido y apagado del LED dura aproximadamente 0,3 milésimas de segundo.

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Bueno, y hasta aquí este artículo cuya intención no era otra que compartir con vosotros un tema que a mí me parece muy interesante y que además tiene muchas aplicaciones tanto en el mundo industrial como en la vida diaria, ya que esta misma teoría que rige el funcionamiento del PWM en las linternas es aplicable a control de motores, caudales, temperaturas… Ahora que lo conocéis seguro que os dais cuenta de que estáis rodeados de aparatos controlados por PWM.

Como curiosidad, me gustaría sacar a relucir esta fotografía tomada en una isleta de la calle de Alcalá, donde a mi derecha pasaban coches que mostraban sus luces rojas de posición y/o freno y a mi izquierda los coches que venían de frente y, por tanto, haciendo brillar sus luces blancas de cruce.

Entre el tráfico de Madrid

¿Veis algún rastro de PWM? Pues no, porque la fotografía la hice hace ya doce años (todavía me acuerdo perfectamente del momento de captar esta imagen) y los coches todavía ni siquiera soñaban con llevar luces exteriores LED. Si hiciéramos esta misma foto hoy en día o aseguro que muchas de esas líneas difuminadas pero continuas serían una larga sucesión de puntos porque en los últimos tiempos los LEDs están copando el mundillo de la iluminación.

¡Nos leemos!