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PWM: Qué es y para que sirve en los ventiladores

Algo que seguramente pocas personas conocen y a lo que casi nadie repara en cuanto a las características de los ventiladores para PC es en la función PWM, para la que hay que tener importantes conocimientos relacionados a la parte técnica de la informática. Sin embargo, los usuarios de ordenador estamos más acostumbrados a esta función que lo que creemos.

Las tareas que lleva a cabo el PWM se ejecutan en segundo plano y sin que puedan ser advertidas, aunque sus ventajas sí son visibles en los PCs que utilizamos.

En los últimos años, los fabricantes de hardware han puesto especial atención a la posibilidad de que a través de los circuitos integrados de los componentes se pudiera controlar de manera eficiente la velocidad de los ventiladores que se ocupan de refrigerar diversos dispositivos electrónicos, como los ordenadores personales.

Es muy importante la evolución que viene experimentando la tecnología que utilizan los ventiladores eléctricos que encontramos en los equipos electrónicos de la actualidad. Ventiladores que se vienen usando desde hace muchos años, y que a su vez se vienen modificando para ofrecer cada vez más ventajas.

Pero esto no siempre fue así, ya que hasta no hace muchos años, la posibilidad de que un ordenador fuera silencioso y que incluyera una función para llevar un control de la velocidad de los ventiladores no estaba presente en ningún modelo.

Varios años atrás, no encontrábamos ningún tipo de refrigeración activa en los ordenadores x86, debido principalmente a que no generaban exceso de calor dentro de las cajas de PC. Pero esto comenzó a cambiar con los primeros ordenadores 486, que requerían de más recursos par ejecutar cada vez más tareas.

Desde aquel momento y hasta la actualidad, los ordenadores comenzaron a consumir cada vez más energía y a generar también más calor, aunque también se comenzaron a obtener mayores rendimientos.

Es por todo esto que además de la evolución de los componentes, los sistemas de refrigeración también experimentaron cambios y evoluciones importantes, principalmente en cuanto a la forma de controlar la velocidad de los ventiladores, que se hace mediante el PWM.

A través de un sencillo “volt mod”, con el que se podía seleccionar 5, 7 o 12V de un conector Molex clásico, se podía controlar la velocidad de los ventiladores hace varios años.

Después se comenzaron a usar resistencias que servían para disminuir la velocidad de los ventiladores, así como también se hacía uso de potenciómetros y resistencias térmicas, con lo que se ejercía un control manual de velocidad de amplio rango. Los conocidos rehobus.

Pero en la actualidad, si se está buscando controlar la velocidad de los ventiladores y bombas, la opción más usada y eficiente es el control PWM o el uso de controladores de fabricantes como Corsair o NZXT para gestionar vía software o BIOS la velocidad de nuestros ventiladores.

Características actuales del control PWM

Hoy en día, los fabricantes lanzan sus placas base de media gama equipadas, como mínimo, con un cabezal PWM de 4 pines. Por un presupuesto mayor, las placas base de alta gama incluyen cuatro o más conectores de 4 pines que controlan la velocidad de los sistemas de refrigeración de los equipos.

A pesar de esta evolución, todavía hay muchas personas que no conocen esta función de las placa base que surgió en 2003, o no la tienen en cuenta al comprar un equipo. Algo aún más sorprendente es que en la actualidad todavía podemos encontrar que fabricantes de ventiladores crean sus componentes incluyendo obsoletos conectores de 3 pines.

Por tal motivo, explicaremos qué es el control PWM, cómo gestiona la velocidad de bombas y ventiladores, y qué ventajas se obtienen al saber utilizar esta función que todavía sigue siendo ignorada por la mayoría de los usuarios.

Cómo funciona el PWM

El funcionamiento del PWM necesita de un circuito que cuenta con partes que cumplen distintas funciones cada una. En dicho circuito, el comparador trabaja como nexo, y está compuesto por una salida y dos entradas distintas.

Al momento de hacer la configuración, hay que tener presente que una de las dos entradas se ocupará de dar espacio a la señal del modulador. Del otro lado, la segunda entrada tiene que estar unida a un oscilador del tipo dientes de sierra para que la función se pueda llevar a cabo de manera adecuada.

La señal que provee el oscilador con dientes es lo que establece la salida de la frecuencia. Con los años, el sistema PWM ya ha demostrado que funciona correctamente, por lo que se ha convertido en una función muy utilizada cuando se trata de gestionar la disponibilidad de recursos energéticos.

Tipos de ventiladores de PC

Teniendo en cuenta la cantidad de cables con el que viene de fábrica un ventilador, es posible diferenciarlos según tres tipos principales de conexiones.

  1. Si vienen con solo dos cables a tierra, estos ventiladores disponen de conexiones de positivo y negativo.
  2. El segundo grupo de ventiladores viene con tres cables; dos se encargan de la alimentación del ventilador, mientras que el tercero transporta la señal tacométrica, también conocida como “Tach”. Mediante este tercer cable se puede transferir una señal de una frecuencia equitativa a la velocidad del ventilador, que se mide en RPM (revoluciones por minuto).
  3. El último tipo de ventiladores viene con cuatro cables, y son los que conocemos como “ventiladores PWM”. Un cable se conecta a tierra, el segundo se encarga de la alimentación, el tercero cuenta las RPM y el cuarto transfiere los pulsos al ventilador.

Usos del control PWM

Si bien se podría pensar que el término PWM (Pulse Width Modulation) o Modulación por Ancho de Pulsos, en español, es poco usado, lo cierto es que suele ser muy empleado en ámbitos como la ingeniería eléctrica, pudiendo ser útil en diversos sectores, como en las telecomunicaciones, en dispositivos servomotores, equipos de audio, y muchos más.

En definitiva, el PWM cumple la función de un interruptor, encendiéndose y apagándose de manera continua, ajustando de este modo la cantidad de potencia que obtiene el motor de la bomba o el ventilador.

Este motor es parte fundamental para un sistema PWM encargado de controlar la velocidad de bombas y ventiladores, trabajando en +12V (plena potencia) o en 0V (potencia nula).

Las velocidades que alcancen las bombas y ventiladores estará determinada directamente por el ancho de la señal PWM, o lo que es lo mismo, por el tiempo que permanezca encendido el motor.

Para darnos una idea, un ciclo de trabajo del 10% significa que el PWM enviará unos pocos impulsos de potencia en un determinado período de tiempo, haciendo que el motor funcione a una baja velocidad. Por el contrario, con un ciclo de trabajo del 100% se logra que un ventilador o bomba funcione a la máxima velocidad, o sea, con un encendido continuo del motor.

Refrigeración líquida

El consumo de energía que exigen las bombas que se utilizan en la refrigeración por agua resulta considerablemente superior, razón por la cual, la energía se conecta en su mayor parte al conector Molex, mientras que los otros dos cables del PWM y del tacómetro se conectan al cabezal de la placa base con el fin de gestionar el PWM así como la velocidad.

En caso de que no exista señal PWM en los ventiladores, entonces el funcionamiento estará en su máxima potencia, mientras que las bombas de la refrigeración líquida van a tener una velocidad media. En otras palabras, si se busca hacer funcionar la bomba a plena potencia, habrá que conectarla a una señal PWM que esté configurada al 100% del ciclo de trabajo.

Conexión molex en Bomba D5 (Serie Corsair Hydro X), aunque también se puede comprar con conexión PWM de 4 pines.

Los ventiladores de calidad superior incluyen sus propios drivers IC exclusivos dentro del núcleo del motor que crean una señal PWM inclinada en vez de una cuadrada plana. Estas últimas señales acostumbran a producir chirridos molestos en el momento en que la velocidad del ventilador es mínima.

Este ruido molesto se debe a que cuando el motor recibe un incremento abrupto de potencia, esto provoca que el rotor se mueva, generando así estos chasquidos que a veces molestan al usuario.

Para evitar esto, se debe recurrir a usar circuitos integrados especiales, los que van a garantizar que el encendido del motor sea más suave al recibir un impulso.

¿Por qué es tan importante el PWM?

Es normal que casi todos los ventiladores de un equipo se apaguen cuando el voltaje está fijado en unos 5V o menos. En estos casos, los ventiladores dejan de funcionar y ya no giran, motivo por el cual con frecuencia el rango de velocidades que declara el fabricante del ventilador solo es posible alcanzarla usando una regulación PWM.

De esta manera, a través del control PWM se puede lograr que los ventiladores trabajen a velocidades muy bajas, en torno a las 300 a 600 RPM.

Cuando se llega a estas velocidades sin que los ventiladores se detengan, se obtiene un funcionamiento realmente silencioso, además de que con el control PWM se pueden apagar si el usuario lo desea.

Otra característica interesante acerca del control PWM es que con una simple señal es posible controlar todos los ventiladores. Teniendo en cuenta que los ventiladores reciben de manera continua 12 voltios, se pueden utilizar splitters especiales para enviar una señal PWM a todas las bombas y ventiladores del equipo. De esta forma se logra una armonía en el funcionamiento de todos los ventiladores y bombas.

Hoy en día, los fabricantes de placas base le dan cada día más relevancia al tema de la regulación PWM, motivo por el cual hay en el mercado configuraciones muy sólidas y detalladas que permiten que sea cada vez más fácil el uso de este recurso.

Con la ayuda del PWM ya no habrá ruidos molestos cuando los componentes del equipo estén en pleno funcionamiento, debido a que podrán trabajar a bajas velocidades así como regular la curva de duty cycle (ciclos de trabajo) PWM en función de las lecturas de temperatura.

Ventajas del control PWM

Usar un regulador en la velocidad de bombas y ventiladores nos puede beneficiar en varios aspectos:

  • Un ventilador funcionando a menor velocidad produce menos ruidos molestos.
  • Al funcionar a baja velocidad, el ventilador consume menos energía.
  • Las bajas velocidades del ventilador hacen que aumenten su vida útil y su rendimiento.

Pero por sobre todo, la mayor ventaja que se obtiene con el control PWM es su alto nivel de eficiencia, su simple funcionamiento y el bajo costo de implementarlo, teniendo en cuenta que el ventilador permanecerá totalmente encendido o apagado.

Hay varios motivos por los que el control PWM continúa siendo no solo un sistema de alta popularidad, sino también de gran nivel de eficacia.

Es un hecho que los motores en su conjunto, pero los de corriente continua en particular, actúan con gran rapidez al control PWM, lo que les permite, por ejemplo, ajustar su velocidad en pocos segundos cuando reciben la señal PWM. Asimismo, estas señales que controlan la velocidad de los motores son muy rápidas, principalmente cuando se necesitan pocos o ningún cálculo.

Cuando se combinan la velocidad por defecto de PWN con la capacidad de respuesta del motor, se obtiene una eficiencia de alta calidad de los controladores PWM, sobre todo en aplicaciones que son sumamente sensibles a la temperatura y necesitan que los cambios de temperatura se produzcan instantáneamente.

Desventajas del control PWM

Entre los puntos negativos que se le pueden encontrar al control PWM hay que mencionar que la información que contiene el tacómetro se ve limitada al recibir la señal PWM, debido a que la potencia no siempre llega hasta el ventilador.

Sin embargo, es posible recuperar esta información del tacómetro haciendo uso de una técnica comúnmente llamada “estiramiento de pulso”, que consiste en encender el ventilador durante el tiempo que sea necesario con el fin de recopilar la información del tacómetro. Esto puede conllevar un aumento en el ruido generado por el ventilador.

Otra desventaja del PWM de baja frecuencia está relacionada al ruido que genera la conmutación. Es decir, cuando los ventiladores permanecen encendidos y apagados de manera continua, hay posibilidades de que se perciban ruidos. Lo mismo ocurre con la velocidad de esta conmutación, la que si no llega a ser rápida, es posible que se haga perceptible un parpadeo.

Finalmente, tanto el precio de esta regulación como los problemas de interferencias provocados por radiofrecuencia también son puntos negativos.

Palabras finales y conclusión acerca de la conexión PWM

Si nos centramos en los aspectos de la fiabilidad, el ruido acústico y la eficiencia energética, no caben dudas de que lo más adecuado para la regulación de la velocidad de los ventiladores es usar una unidad PWM con una frecuencia mayor a los 20 kHz.

Así como elimina la exigencia de estiramiento de pulsos ruidosos y los ruidos molestos de la conmutación relacionados con las unidades de PWM de baja frecuencia, cuenta con un rango de control bastante más amplio que lo que ofrecen otro tipo de controles PWM.

Por medio del control PWM de alta frecuencia, es posible que el ventilador trabaje a velocidades mínimas, cercanas al 10% de la potencia máxima, al contrario de la velocidad mínima que podría alcanzar un ventilador con control lineal, pudiendo funcionar en este caso a un 50% de la velocidad máxima.

El control PWM es altamente beneficioso en términos de consumo de energía, puesto que los ventiladores están continuamente funcionando o apagados.

Por último, gracias a que un ventilador puede funcionar a muy baja velocidad con el control PWM, su vida útil aumenta, del mismo modo que la fiabilidad del sistema.

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