En este artículo vamos a hablar de los conceptos básicos relacionados con los ventiladores de un ordenador, ya que es una de las principales fuentes de ruido. Hablaremos de las principales partes de un ventilador, de los diferentes tipos de ventiladores, y sobre todo, qué es lo que hay buscar en un ventilador para refrigerar un ordenador de forma silenciosa.
Partes basicas de un ventilador
Se puede apreciar que en el centro del marco del ventilador está sujeto el motor. El rotor se sujeta al motor del ventilador mediante algún sistema de cojinetes, de los que puede haber varios tipos. Concretamente el de la figura se corresponde con un cojinete de casquillo o "sleeve bearing".
Cojinetes
Los tipos de cojinetes más importantes que se pueden encontrar son los siguientes:
- Cojinete de casquillo ("sleeve bearing"): Uno de los rodamientos más utilizados debido a su bajo coste de fabricación, consiste en la utilización de dos superficies lubricadas convenientemente. Este tipo de rodamiento es uno de los más silenciosos, pero es poco duradero en comparación con otros. El lubricante puede secarse o las superficies pueden deformarse, y esta degradación se acelera en presencia de altas temperaturas de funcionamiento. Al deteriorarse el ventilador incrementa su ruido. Un ventilador de estas características tiene un tiempo medio de vida de unas 30.000 horas a 50ºC. Son en general los ventiladores más adecuados para un SilentPC, con el inconveniente de que hay que cambiarlos al cabo de unos pocos años (2-5, dependiendo del uso). También son sensibles al funcionamiento en horizontal, donde pueden disminuir sus prestaciones. Ejemplos de ventiladores con este tipo de rodamientos son los Nexus Silent Case Fan y los Scythe Slip Stream
- Rodamiento de bolas ("ball bearing"): Uno de los cojinetes más utilizados en ventiladores más antiguos, o muchos de los ventiladores que se encuentran en fuentes de alimentación. El rodamiento consiste en una hilera de bolas que giran etre el eje y el motor, selladas en una carcasa metálica. Podemos encontrar ventiladores con dos rodamientos de bola (rodamiento doble de bola o "dual ball bearing"). Son más costosos de fabricar, pero son más duraderos y resistentes a las temperaturas, y no tienen problemas de funcionamiento en horizontal. El inconveniente es que son bastante más ruidosos que los anteriores. El tiempo medio de vida ronda las 70.000 horas a 50ºC. Ejemplos de este tipo de rodamiento podemos encontrar en los ventiladores Enermax de la serie UC-FAB.
- Cojinete de fluído ("fluid bearing"): Este tipo de cojinete, que suele ser bastante más caro de fabricar, tiene un funcionamiento similar al cojinete de casquillo, pero en lugar de estar simplemente lubricados los materiales, se añade una zona con aceite (u otro fluído) a presión, que "autoestabiliza" el eje del rotor. Este tipo de ventiladores son muy duraderos, con hasta 150.000 horas de tiempo medio de vida. No son tan silenciosos como los de casquillo, pero siguen siendo bastante silenciosos. Al igual que los ventiladores de rodamiento de bolas no son sensibles al funcionamiento en horizontal. Ejemplos de estos ventiladores son los Scythe S-Flex (con el sistema de cojinete S-FDB, "Sony Fluid Dinamic Bearing") y los Noctua (con el sistema de cojinete SSO, "Self Stabilising Oil").
Marco del ventilador
El marco es el elemento principal del ventilador, ya que sirve tanto para al anclaje del propio ventilador como de soporte para el motor, e incluso de guía del flujo de aire. Adicionalmente, el marco suele indicar el sentido del movimiento de las aspas del ventilador y el del movimiento del aire a través del mismo. Esta información suele venir indicada con flechas en un lateral y, normalmente, el ventilador sopla hacia el lado donde se encuentran los soportes del motor del ventilador:
El marco suele tener 4 orificios en las esquinas para atornillarlo al ordenador (en realidad 8, ya que los tiene en ambas partes, como se puede ver en la foto del ventilador de arriba), o para servir de sujeción en los anclajes de los disipadores. A veces, el marco tiene las esquinas cerradas y puede suponer un problema, ya que hacen falta tornillos más largos o bien lo hacen incompatible con la instalación en determinados sistemas. Esto sucede por ejemplo con los ventiladores Nexus:
Rotor
Existen muchos diseños diferentes de rotores. Se pueden clasificar fundamentalmente en dos grupos:
Ventiladores Radiales o Centrífugos: Este tipo de ventiladores tienen las palas normalmente planas y con forma de "radios" (como una rueda de paletas), permitiendo que el flujo de aire sea perpendicular al eje del ventilador. Un ejemplo de ventilador radial:
Este tipo de ventiladores se utiliza habitualmente en tarjetas gráficas, disipadores de chipsets de placa base, o extractores "blower" de ranuras PCI. Para generar un flujo decente de aire necesitan funcionar a velocidades muy altas, por lo que suelen generar bastante ruido, y no son apropiados para un PC silencioso. Por esta razón no hablaremos más de este tipo de ventiladores. Existen alternativas para estos ventiladores, por ejemplo, en tarjetas gráficas podemos encontrar multitud de sistemas de refrigeración que no utilizan ventiladores radiales (incluso las hay pasivas) o podemos realizar alguna modificación para utilizar un ventilador axial, en placas base se pueden utilizar soluciones pasivas (disipadores más eficientes sin ventilador) o un "blower" de ranuras PCI puede ser construido con un ventilador axial.
Ventiladores Axiales: Este tipo de ventiladores mueven el aire en dirección paralela al eje del ventilador (o perpendicular al marco, según como se quiera ver). Son mucho más apropiados para un PC silencioso, se pueden construir en muchísimos tamaños diferentes y existen multitud de diseños diferentes del rotor con diferente número, tamaño y forma de las aspas. Algunos ejemplos:
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Como curiosidad, los ventiladores que aparecen en esta foto son todos de 12cm, y son los modelos (de izquierda a derecha, y de arriba a abajo): Scythe Slip Stream, Noctua NF-P12, Nexus Real Silent Case Fan, Scythe S-Flex, Noctua NF-S12 y Tacens Ventus.
Tipos de ventiladores:
Los ventiladores se pueden clasificar de múltiples formas según diferentes características, como sentido de flujo (que ya hemos visto antes), tamaño, conectores y circuitería, etc. Veamos algunos de los diferentes tipos de ventiladores que podemos encontrar.
Tamaño
Existen muchos tamaños diferentes de ventiladores (en milímetros, ancho x largo x profundidad): 80x80x25, 80x80x38 92x92x25, 120x120x25, 120x120x38, 140x140x25, etc.
En general, un ventilador de mayor tamaño mueve más aire a igualdad de velocidad (revoluciones por minuto o "rpm") que uno de menor tamaño. Esto significa que para mover una misma cantidad de aire el ventilador más grande necesita girar a menor velocidad, lo que habitualmente se traduce en menor ruido
Sin embargo, un ventilador de mayor tamaño también necesita un motor más grande, y por lo general más ruidoso. Por esta razón hay que buscar un tamaño óptimo. Actualmente, con los motores utilizados en los ventiladores, el tamaño óptimo está en 120x120mm. Existen muchos ventiladores silenciosos en el mercado en estos tamaños (Scythe, Nexus, Noctua, Papst, etc.), mientras que son mucho más difíciles de encontrar en otros tamaños. Por esta razón, al elegir por ejemplo una caja para nuestro ordenador, es interesante buscar una que tenga huecos para ventiladores de 12cm, ya que son los que más posibilidades nos ofrecen para construir un PC silencios.
PWM vs. Voltaje
Como hemos visto anteriormente, el motor del ventilador dispone de una circuitería interna. Ésta circuitería se puede utilizar para regular la velocidad del ventilador. Existen dos formas fundamentales de regular esta velocidad:
Voltaje: Se puede variar la velocidad de un ventilador disminuyendo el voltaje de entrada al electroimán. Un menor voltaje generará un campo electromagmético de menor fuerza y provocará que el motor gire más despacio. Ésta es la forma más sencilla de regulación de velocidad de un ventilador.
PWM: Se puede regular la velocidad de un ventilador conectando al electroimán un voltaje a pulsos en lugar de un voltaje constante. Los pulsos de voltaje se conviernten en "empujones" al electroimán, y al reducir el tiempo que se está aplicando fuerza sobre el electroimán, se reduce efectivamente la velocidad del mismo. Estas señales a pulsos se conocen como señales PWM ("Pulse Width Modulation"). Una señal PWM tiene dos características importantes:
- Frecuencia: Las señales PWM que se utilizan para regular ventiladores son normalmente ondas cuadradas periódicas de 12V, como las de la figura:
Conectores de los ventiladores
Ya hemos visto en el apartado referente al motor que hay dos elementos importantes, el sensor Hall y el electroimán, y hemos visto dos esquemas diferentes, uno con 3 entradas y otro con 4 entradas. Además acabamos de ver dos formas diferentes de regular los ventiladores, mediante la reducción de voltaje o la utilización de pulsos de voltaje (PWM). Estos elementos y características son los que van a diferenciar los tipos de ventiladores y sus conectores:
Ventiladores de 2 pines
Estos ventiladores suelen prescindir el sensor Hall y no permiten conocer la velocidad del ventilador. El conector tiene únicamente dos pines, GND y VCC. Es habitual ver un conector "molex" de 4 pines en este tipo de ventiladores (lógicamente con sólo dos cables conectados, correspondientes a GND y VCC:
También podemos verlos con un conector estándar como los que utilizan los ventiladores de 3 pines que veremos a continuación, pero en este caso con sólo dos de los cables conectados. Incluso se pueden ver con otros conectores diferentes, en casos de tarjetas gráficas o chipsets de la placa base pueden llevar conectores más pequeños (foto cortesía de Gnomo555).
Se puede regular la velocidad de estos ventiladores, contrariamente a lo que a veces equivocadamente se piensa. Estos ventiladores lo único que no tienen es un sensor Hall, por lo que sí que es cierto es que aunque regulemos el ventilador no podremos conocer a qué velocidad está girando sin una medida externa. La regulación del ventilador se puede hacer de dos formas:
Variando el voltaje que se conecta en el pin VCC. Puesto que VCC está conectado directamente al electroimán, reduciendo este voltaje se reduce también la "fuerza" del campo electromagnético que se genera para movel el electroimán, y permite reducir la velocidad efectiva del ventilador.
Conectando una señal PWM en el pin VCC. Igualmente, al estar VCC conectado directamente al electroimán, se reduce la velocidad del ventilador al llegar el voltaje a pulsos.
Ventiladores de 3 pines
Estos ventiladores sí incluyen el sensor Hall. El conector tiene tres pines, GND, VCC y sensor, habitualmente de colores negro, rojo y amarillo, respectivamente, aunque puede ser diferente en algunos ventiladores. VCC se conecta al mismo tiempo al sensor Hall y al electroimán. El pin sensor es la salida del sensor Hall que proporciona la velocidad del ventilador.
El conector habitual es el siguiente:
P1 Negro GND
P2 Rojo +12 V, +5 V, o fuente de voltaje
P3 Amarillo Sensor de velocidad (RPM)
Se pueden regular estos ventiladores exactamente de la misma forma que la que se ha visto para ventiladores de 2 pines, es decir, variando el voltaje en el pin VCC o conectando una señal PWM en el mismo pin.
Un problema en este tipo de ventiladores al regularlo de cualquiera de estas maneras, es que no sólo se varía el voltaje conectado al electroimán (bien bajándolo o bien mediante pulsos), sino que se varía también el voltaje de entrada a los circuitos de control (sensor Hall). Esto hace que no funcionen bien a un voltaje más bajo del nominal (en el caso de reducción de voltaje), o bien apagándose/encendiéndose continuamente (en el caso PWM). Esto podría reducir la vida de los circuitos de control, sobre todo en el caso PWM con señales de alta frecuencia, aunque lo cierto es que rara vez se ha visto un ventilador romperse por estos aspectos.
El principal problema es que, para evitar problemas en el caso de regularse mediante PWM, se suele utilizar una señal de baja frecuencia (precísamente para no dañar la circuitería de control), y si es inferior a 20kHz puede quedar en el rango auditivo humano. En este caso, podemos escuchar ruidos de "cliqueo" del ventilador a la frecuencia de la señal PWM generada.
Ventiladores de 4 pines PWM
Estos ventiladores incluyen también el sensor Hall, pero además tienen dos entradas diferentes para la alimentación de los circuitos y el control PWM. Como hemos visto anteriormente al hablar del motor, en el esquema de la circuitería de ventiladores de 4 pines PWM, el sensor Hall (y el resto de circuitería de control) están permanentemente alimentados con 12V, y el electroimán se controla con el cuarto pin, al que se conecta una señal PWM de alta frecuencia.
El estándar de funcionamiento de estos ventiladores está especificado en este documento. El esquema de pines es el siguiente, aunque muy pocos fabricantes siguen el esquema de colores fijado en el estándar:
P1 Negro GND
P2 Amarillo +12 V
P3 Verde Sensor de velocidad (RPM)
P4 Azul Control PWM (Pulse-width modulation)
La principal ventaja de estos ventiladores sobre los de 3 pines es que toda la circuitería de control está permanentemente funcionando al voltaje nominal. Esto permite poder conectar una señal PWM de alta frecuencia para el control del electroimán, ya que no afecta en este caso dicha frecuencia a la circuitería de control. Al conectar señales PWM de alta frecuencia, superiores a la frecuencia máxima que podemos escuchar (normalmente superiores a 20KHz), se consigue un ventilador más silencioso, exento de ruidos de "cliqueo".
Además tienen la opción de que al ser independiente la señal de control (PWM) de la señal de alimentación (+12V), se pueden incluso construir atenuadores que conviertan la entrada al electroimán en un voltaje intermedio (sin pulsos), pudiendo conseguir un funcionamiento más suave del motor (equivalente a la regulación por voltaje). Esto es opcional, y no creo que sea fácil verlo en los ventiladore PWM que hay en el mercado
En la práctica cuesta encontrar ventiladores PWM de 4 pines que sean realmente de calidad. Hay muchas más opciones de encontrar ventiladores silenciosos actualmente en 3 pines.
Ruido generado por ventiladores
Después de conocer las características básicas de los ventiladores, podemos ir finalmente a lo que nos interesa, el ruido producido por los ventiladores. El ruido en un ventilador está generado generalmente por los siguientes factores (ordenados por orden de importancia):
Turbulencia: El mayor ruido que produce un ventilador es debido al ruido de las turbulencias y rozamiento del aire que mueve. Este ruido es inevitable. Hay dos factores que influyen fundamentalmente en este tipo de ruido: el diseño del rotor del ventilador, que puede ayudar a generar menos turbulencias, y la cantidad/velocidad de aire que mueve el ventilador.
Es decir, para evitar este tipo de ruido deberemos buscar ventiladores con un diseño eficiente del rotor, y además tratar de hacerlos funcionar a la menor velocidad necesaria... para eso precisamente hemos hablado de todos las formas de regular la velocidad de un ventilador.
También hay que considerar el tamaño del ventilador. Como hemos comentado en el apartado referente a los marcos de ventiladores y su tamaño, a una misma velocidad de giro cuanto mayor es el ventilador más aire mueve éste. Al tener mayor tamaño, esa misma cantidad de aire estará más repartida en el espacio, y por tanto producirá menor ruido de turbulencias. Es decir, conviene buscar los ventiladores lo más grandes posibles desde este punto de vista. Aunque como también hemos comentado, hay un límite, porque en ventiladores demasiado grandes empiezan a influir otros factores como el ruido del motor, y por tanto hay que buscar un equilibrio. Actualmente este equilibrio se encuentra en los ventiladores de 120mm, ya que es muy difícil encontrar ventiladores silenciosos de 140mm y mayores.
Vibración: Otra forma de generar ruido de un ventilador es por su vibración, normalmente generada por un desequilibrio en el rotor. Un ventilador al vibrar produce ruido en sí, pero si además está sujeto a otro elemento, por ejemplo la caja del ordenador, entonces puede transmitir estas vibraciones y éstas amplificarse.
Hay ventiladores que vibran más y otros que vibran menos, pero este tipo de ruido se puede eliminar prácticamente por completo si se utilizan tornillos de goma u otra solución para "desacoplarlos" de la caja o elemento al que estén sujetos. De esta forma, la goma absorbe sus vibraciones y al mismo tiempo no se transmiten.
Rodamiento motor y rozamiento: El propio motor del ventilador puede producir ruido, bien porque la circuitería produce ruido, o bien por el rozamiento de los propios rodamientos del ventilador.
Aquí la solución es obviamente tratar de elegir ventiladores que tengan el mínimo ruido de motor. Elegir ventiladores con rodamiento de casquillo, por ejemplo, suele asegurar menor ruido de esta parte del ventilador
Un factor que puede afectar al ruido de un ventilador es la presión a la que se encuentra sometido. Un ventilador funcionando en vacío es más silencioso que un ventilador que tiene que "hacer fuerza" para mover una misma cantidad de aire. Por tanto ventiladores que se encuentren en cajas de ordenador muy restrictivas al flujo de aire (con pocas aperturas, o con cables desorganizados y elementos que entorpezcan el flujo, o situados frente a un filtro o disipador) serán más ruidosos y es un factor a tener en cuenta.
Hay ventiladores que se comportan mucho peor que otros en situaciones de mayor presión. Por ejemplo, los ventiladores Noctua NF-S12 son ventiladores con un problema serio ante este tipo de condiciones
Otro factor que influye son los objetos que se encuentran cerca de un ventilador. Un ventilador que tenga una rejilla o un disipador justo delante, producirá un mayor ruido de turbulencia de ruido. Por muy bien que esté diseñado el ventilador para crear las mínimas turbulencias posibles, si ponemos un objeto delante cambiamos totalmente las condiciones de funcionamiento.
Por último, hay un ruido que es característico de los ventiladores controlados por PWM, sobre todo de los que utlizan frecuencias bajas. En este modo de control, para variar la velocidad se aplican al motor pulsos de corriente; estos pulsos hacen que el electroimán aplique fuertes impulsos al rotor, que a su vez provocan tensiones en el material del mismo y pueden originar chasquidos y vibraciones. Por ello, los ventiladores específicos para PWM suelen estar reforzados para evitar estos problemas, o llevar una circuitería adicional que amortigue los impulsos.
dB en ventiladores
Ya hemos visto qué produce ruido en un ventilador. Normalmente el ruido total del ventilador, al igual que en general el ruido de los diferentes elementos, se mide en dBA. Como vimos en este otro artículo sobre PCs silenciosos en general, hay que tener mucho cuidado con cómo se interpretan las medidas SPL en dBA.
Por tanto, no recomiendo el mirar las medidas de los fabricantes para comparar ventiladores, ya que cada uno utiliza una referencia distinta (distancia de la medida, ruido de fondo para las medidas, etc.). Las mejores medidas para comparar ventiladores son las que podemos encontrar en las reviews de las diferentes páginas web, ya que utilizan una misma referencia para todos. Mi favorita para estas comparaciones es SilentPCReview. Quizá en un futuro podáis encontrar en "La Web del SilentPC" comparaciones realizadas por mí... :)
Un ventilador vs. varios ventiladores
Si queremos un PC silencioso, ya tenemos claro que necesitamos ventiladores suficientemente grandes (para minimizar el ruido de turbulencia) y que estén regulados a la menor velocidad posible. Además tienen que ser ventiladores de calidad con escaso ruido de motor, y aser posible desacoplados de la caja o elemento al que van sujetos con gomas que absorban las vibraciones y eviten su transmisión.
La siguiente pregunta es: ¿Cuántos ventiladores necesitamos?, y asociada a esta pregunta también nos cuestionaremos si es mejor tener muchos ventiladores a baja velocidad, o pocos ventiladores a una velocidad mayor.
En general, la respuesta es que es mejor tener más ventiladores a baja velocidad que menos ventiladores a alta velocidad. En realidad, se puede probar matemáticamente que la suma de dos ruidos exactamente iguales y completamente sincronizados en frecuencia incrementa el ruido en 3dBA: si suponemos dos ruidos de magnitudes R1 y R2, tales que R1 = 2* R2 (o sea uno es el doble que el otro) y sus correspondientes valores pasados a db, db(R1) y db(R2), se tiene que:
db(R1) - db(R2) = 10 * log2 ~ 3dB
En la práctica, los ruidos de dos ventiladores no son iguales, habrá frecuencias que se compensen unas con otras, por lo que el ruido adicional que se percibe al añadir un ventilador suele ser inferior a esos 3dBA. Es más, cada ventilador que añadamos, en general añade menos ruido que el anterior.
En cambio, duplicar el flujo de aire que mueve un ventilador supone normalmente un incremento importante en su velocidad y ruido producido, en general en más del doble (es decir, más de 3dBA).
Por tanto, teniendo en cuenta lo anterior, es peor poner un único ventilador moviendo una cierta cantidad de aire, que poner dos moviendo cada uno de ellos la mitad. El ruido de los dos ventiladores combinados será bastante inferior al ruido del otro él solo, moviendo en ambas situaciones la misma cantidad de aire. Para comprobar esto, utilicemos un ejemplo real:
Consideremos un ventilador, por ejemplo un Scythe Slip Stream 1200. Si nos fijamos en los datos obtenidos por SilentPCReview de este ventilador, podemos fijarnos que para mover 24CFM se tiene un ruido de 18dBA, y para mover 46CFM (que ni siquiera llega al doble), el ruido es de 28dBA, un incremento de nada menos que 10dBA. Sabemos que dos de estos ventiladores moviendo 24CFM mueven el doble de aire (en realidad incluso un poco más), y el incremento de ruido será inferior a 3dBA.
Por supuesto, hay que buscar un equilibrio entre el número de ventiladores a utilizar y la velocidad de estos, ya que al añadir ventiladores se está incrementando el ruido.
También hay que mencionar que, además de estas consideraciones matemáticas utilizando los dBA, hay que decir que lo que percibimos nosotros no es exactamente lo que dicen los dBA. Como ya se ha comentado anteriormente, los dBA no contienen información de la frecuencia de la señal, y nuestro oído y cerebro pueden interpretar de diferente manera sonidos que tengan las misma medida en dBA y parecer uno más ruidoso que otro, al ser de una frecuencia más perceptible al oído humano. Lo importante es que la práctica corrobora lo que hemos comentado en el análisis anterior, y dos ventiladores hacen menos ruido que uno sólo, suponiendo que en ambas situaciones se mueva la misma cantidad de aire
Ventiladores recomendados:
En este artículo se han visto los conceptos básicos de funcionamiento de ventiladores, y qué es lo que afecta al ruido que hacen. Esto es sólo el principio, en un próximo artículo "Ventiladores Recomendados", se mostrará una selección de los ventiladores más silenciosos del mercado, con características, enlaces a reviews y análisis, opiniones, etc. Estará pronto disponible, aún queda mucho trabajo por hacer en esta web.
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