コンピュータファン制御

ファン制御は、電動ファンの回転速度を管理することです。コンピュータでは、適切な冷却を提供するためにさまざまな種類のコンピュータファンが使用されており、さまざまなファン制御メカニズムによって冷却能力と発生するノイズのバランスが取られています。これは通常、ハードウェア監視回路を備えたマザーボードによって実現され、エンドユーザーはBIOSまたはその他のソフトウェアを使用してファン制御を実行するように構成できます。^[1]

現代のPCはより強力になるにつれて、電力要件も増加しています。コンピュータは、すべての主要コンポーネントによって生成された熱としてこの電力を放出します。熱の発生はシステム負荷によって変化し、計算集約型のアクティビティの期間はアイドル時間よりもはるかに多くの熱を生成します。^[1]

初期の x86 ベースのコンピューターのほとんど、初期の486の一部に至るまで、プロセッサーには能動的な換気は必要ありませんでした。電源には強制冷却が必要で、電源ファンはATX規格の PC の残りの部分にも冷却空気を循環させていました。発熱量の増加の副作用として、ファンが動かす空気の量が増え、より強力にする必要があります。同じ空間でより多くの空気を動かす必要があるため、ファンの騒音が大きくなります。

PCケースに取り付けられたファンは、最大70  dBの騒音レベルを発生することがあります。ファンの騒音はファンの回転速度の5乗に比例して増加するため、^[2]回転数（RPM）を少し下げると、ファンの騒音が大幅に減少する可能性があります。ただし、速度を過度に下げるとコンポーネントが過熱して損傷する可能性があるため、慎重に行う必要があります。^{[更新が必要]}適切に行えば、ファンの騒音を大幅に低減できます。

コンピューターで使用される一般的な冷却ファンは、2 ～ 4 本のピンを備えた標準コネクタを使用します。最初の 2 本のピンは常にファン モーターに電力を供給するために使用され、残りのピンはファンの設計とタイプに応じてオプションになります。

• 基盤 – 共通の基盤
• Vcc (電源) – 通常は +12 V 電源ですが、ファンの種類や希望するファンの回転速度に応じて変化する場合があります。
• ファンからのセンス（またはタコメータ）出力 - ファンの回転ごとに2回パルスする信号をパルス列として出力します。信号周波数はファンの速度に比例します。
• 制御入力 -冷却ファン アセンブリに内部モーター ドライバー回路がある場合に使用されるパルス幅変調(PWM) 入力信号。この制御入力を備えたファン アセンブリは、冷却ファン アセンブリに供給される入力電圧を変更せずにファンの回転速度を調整できます。可変回転速度により、冷却速度を需要に合わせて調整できるため、ファンを静かにし、全速力が必要ないときにエネルギーを節約できます。

これらのピンに接続されているワイヤの色はコネクタの数によって異なりますが、各ピンの役割は標準化されており、どのシステムでも同じであることが保証されています。2 ピンまたは 3 ピンのコネクタを備えた冷却ファンは通常、広範囲の入力電圧を受け入れるように設計されており、ブレードの回転速度に直接影響します。

このタイプのファン制御では、ファンはオンまたはオフになります。シャーシ内の温度がチェックされ、範囲外の温度が検出されると、ファンは最大速度に設定されます。温度が再びしきい値を下回ると、ファンはオフに戻ります。この制御方法により、使用率が低い期間のノイズ問題と電力要件が軽減されますが、システムが最大容量で動作しているときは、ファンのノイズが再び問題になる可能性があります。

標準的な冷却ファンは、ブレードが取り付けられたDC モーターです。ファンの許容範囲内で電圧入力を変化させると、ファンの速度は増加 (電圧増加) または減少 (電圧減少) します。ファンが高速化すると、移動する空気量が増え、熱交換率が高くなります。この調整を実行するには、以下で説明するように、いくつかの方法があります。

ファンの電源ピンに直列に抵抗器を接続するのが、ファンのノイズを減らす最も簡単な方法ですが、コンピュータ ケース内で発生する熱を増加させます。電圧降下は電流に比例するため、ファンが起動しない可能性があります。適切な電力定格のものを使用する必要があります。可変ファン制御の場合、ポテンショメータを、出力電圧がポテンショメータによって制御されるMOSFETなどのトランジスタとともに使用できます。代わりにレオスタットを使用することもできます。

ファンと直列のダイオードは、ファンに出力される電圧を下げます。シリコンダイオードは、ダイオードあたり約 0.7 V の比較的一定の電圧降下を提供します。特定のダイオードのデータシートには電圧降下が指定されており、たとえば 1N4001 シリコンダイオードの電圧降下は、電流が 0.01 ～ 1 A に変化すると約 0.7 ～ 0.9 V に変化します。^[3]定格電力に注意する必要があり、ダイオードによっては定格電流で動作するために冷却が必要になる場合があります。ダイオードの電圧降下は温度とともに低下し、ファンの速度が上がります。

他の直列レギュレータと同様に、ダイオードは電圧降下とダイオードを通過する電流の積に等しい電力を消費します。

コンピューターの冷却ファンが受け取る電圧は、電圧線 (+12 V) とアース線 (+0 V) の差によって決まります。一方または両方の線を異なる電圧に接続すると、ファンが受け取る電圧は、ファンが設計されたデフォルトの 12 V とは異なります。

デフォルトの12Vを超える電圧^[4]を上げるには、例えば、ファンコネクタのアース線の代わりに-12Vまたは-5Vの電源ラインを接続し、ファンコネクタの+12V入力に5Vの電源ラインを接続します。この手順により、10、17、24Vの電圧を実現できますが、12Vを超える電圧は、定格12Vのコンピュータファンに損傷を与える可能性があります。ただし、現代の電源では-5Vの電源ラインを提供する必要がなくなり、-12Vラインの限られた電力供給能力（通常1A未満の電流）により、現代のシステムでのボルト変更ファンの総容量が減少します。

+5 V 電源ラインをファンの +12 V 入力に接続すると、ファンが受け取る電圧が +5 V に下がります。ファンの中には、このような低電圧ではまったく動作しないものもありますが、適切な速度で回転し始めると +5 V で動作するものもあります。^{[引用が必要]}

ファン速度を下げる別の方法^{[5]は、従来の}Molex 電源コネクタの 5 V ワイヤをファンにつながるアース ワイヤの代わりに移動し、ファンに +7 V (12 V - 5 V = 7 V) を供給することです。ただし、これは潜在的にリスクのある方法です。+5 V PSU ラインは電流を供給することのみを目的としており、電流を吸い込むことは目的としていないため、5 V PSU ラインの負荷が 7 V ファンによって生成される負荷を下回ると (PC がアイドル/スリープ状態に入るなど)、PSU が損傷する可能性があります。また、ファンで短絡が発生した場合、+5 V 電源を使用するコンピューター内のコンポーネントが 5 V を超える電圧にさらされる可能性があります。

一般的な電圧レギュレータ IC として人気の LM78xx シリーズは、ファンに可変電圧または定電圧を供給するために使用されることがあります。コンピュータのシャーシに熱的に結合されている場合、これらの IC の 1 つは、それぞれ LM7806、LM7808、LM7809、LM7810 に対して 6、8、9、または 10 V の電圧で最大 1 A の電流を供給できます。^[6]人気のLM317のような調整可能なバージョンも存在します。ポテンショメータと組み合わせると、これらの調整可能なレギュレータを使用すると、標準的なポテンショメータが処理できる電流をはるかに超える電流で、複数のファンのファン速度を変えることができます。^[7]

より高い電流の場合、ディスクリート リニア レギュレータは、パワー トランジスタまたはMOSFETと小信号トランジスタまたはツェナー ダイオードを電圧リファレンスとして使用して比較的簡単に構築できます。ディスクリート レギュレータには追加のコンポーネント (最低 2 つのトランジスタ、3 つの抵抗、および小さなコンデンサ) が必要ですが、任意の高電流を許容し、追加のファンとアクセサリを制御できます。

他のリニアレギュレータと同様に、生成される廃熱はおおよそP = ( V _in - V _out ) I _outとなる。^[8]

パルス幅変調(PWM) は、コンピュータのファンを制御する一般的な方法です。PWM 対応のファンは通常、4 ピン コネクタ (ピン配置: グランド、+12 V、センス、コントロール) に接続されます。センス ピンはファンの回転速度を中継するために使用され、コントロール ピンはオープン ドレインまたはオープン コレクタ出力で、ファン内で 5 V または 3.3 V にプルアップする必要があります。ファン電圧が速度に比例する線形電圧調整とは異なり、ファンは一定の供給電圧で駆動されます。速度制御は、制御信号に基づいてファンによって実行されます。

制御信号は 25 kHz で動作する矩形波で、デューティ サイクルによってファン速度が決まります。25 kHz は、信号の音を人間の可聴範囲以上に上げるために使用されます。これより低い周波数を使用すると、聞こえるハム音やうなり音が発生する可能性があります。通常、ファンは、最大 100% のデューティ サイクルの信号を使用して、定格ファン速度の約 30% から 100% の間で駆動できます。低い制御レベルでの正確な速度動作 (線形、しきい値までオフ、またはしきい値までの最小速度) は、製造元によって異なります。^[9]

多くのマザーボードには、プロセッサとコンピューターケースの温度に基づいてこれらのファンを制御するファームウェアとソフトウェアが搭載されています。

PC ハードウェア愛好家に人気のもう 1 つの方法は、手動ファン速度コントローラーです。ファン速度コントローラーは、拡張スロットまたは 5.25 インチまたは 3.5 インチのドライブ ベイに取り付けたり、コンピューターのケースに内蔵したりできます。スイッチまたはノブを使用して、接続されたファンの速度を上記のいずれかの方法で調整できます。

最近のマザーボードのほとんどには、ファン制御が可能なハードウェア監視チップが搭載されており、 ^[1]通常は前述のPWM方式で制御されます。これらのチップは、 BIOS、^{[10] :  §11.1}またはオペレーティングシステムの起動後に専用ソフトウェアを使用して設定できます。

プロセッサはシステム負荷に応じてさまざまなレベルの熱を発生するため、負荷が上昇するまでは、アイドル時にファンの速度を下げて、ファンがフルスピードで回転することによって発生するノイズを減らすのが合理的です。負荷が上昇すると、過熱を避けるためにファン速度を速やかに調整する必要があります。最新のハードウェア モニタ チップは、一度設定すると、機能しているBIOSやオペレーティング システムを必要とせずに、この監視ループを独立して実行できます。一部のチップが提供するこの自動制御は、サーマル エンベロープを維持するための Thermal Cruise モード、および特定のファン速度を自動的に維持するための Fan Speed Cruise モードと呼ばれることがあります。^{[10] :  §12}

ただし、すべてのソフトウェアが一部のチップによって提供されるこれらの高度な構成パラメータにアクセスできるわけではなく、汎用ソフトウェアがチップとの最も基本的なインターフェイスのみを実装することが非常に一般的です。つまり、各ファン制御設定のデューティサイクルを明示的に設定し、その後、デューティサイクルの調整をソフトウェアで実行し、オペレーティングシステムとこのサードパーティソフトウェア自体の両方がメインCPU上で実行され続けて監視ループを実行する必要があります。^{[10] ：  §11.3} これは、システムまたはユーティリティがクラッシュするまで問題にならない場合があります。クラッシュした時点で、ファンが適切な冷却を維持できず、電圧と速度が低下してシステムが過熱する可能性があります。

現在、多くの企業が、 Microsoft Windowsまたは Mac OS X/MacOSで自社のマザーボードのファン速度を制御するソフトウェアを提供しています。マザーボードによって使用するソフトウェアは異なります。また、さまざまなマザーボードで動作し、マザーボード、CPU、GPU センサーからの温度測定値に応じてファンの動作を幅広くカスタマイズしたり、手動で制御したりできるサードパーティ製のプログラムもあります。そのようなプログラムの 2 つがSpeedFan ^[11]と Argus Monitor です。^[12]

• 静かなPC
• PIDコントローラ

• 4線式PWM制御ファン仕様v1.3、Intel
• 3線式および4線式ファンコネクタ、Intel
• 3 線、4 線マザーボード ファン コネクタ ピン配置、AllPinouts
• 電子機器の冷却にファン速度（2/3/4線式）を制御する理由と方法、アナログデバイス
• PWM マザーボード、Thinkpad、ASUS Eee PC 上の Linux でファン速度を制御する