CPU Simulator

Durante le mie esperienze di costruzione di dissipatori per cpu, sia di tipo ad aria che ad acqua, mi sono più volte imbattuto nel problema (penso comune a tutti i costruttori) della verifica e della misurazione delle caratteristiche e dei rendimenti dei medesimi. Chi acquista un dissipatore deve di solito montarlo sul proprio pc per sapere se il suo rendimento è buono, e come riferimento deve prendere sempre un'altro dissipatore in proprio possesso o in uso confrontando le letture delle 2 temperature. Questa pratica mette a rischio il fragile cuore dei moderni processori costruiti con la tecnica del silicio a vista (materiale piuttosto fragile), e ci costringe ad ogni test ad eseguire uno smontaggio e rimontaggio del dissipatore in prova che se non eseguiti con la massima cura possono portare al definitivo danneggiamento dell'amato e caro processore.

Nella realizzazione di questo dispositivo ho voluto pensare anche a tutti coloro che come me hanno avuto lo stesso problema, quindi ho cercato di fare qualcosa di facilmente replicabile e standardizzato in modo che chiunque lo utilizzi possa confrontare i propri risultati con quelli di altri senza il timore di differenze sostanziali dovute ai parametri in gioco in un PC.

Ecco alcuni motivi per costruirlo:

• Utilizzando questo dispositivo avremo in comune un generatore di calore imparziale che una volta tarato per le condizioni che vogliamo simulare, ci permetterà di testare in tutta sicurezza il nostro dissipatore senza coinvolgere il processore o il PC.
• Variare la quantità di calore che intendiamo generare è semplicissimo come aprire o chiudere un rubinetto !
• Per i nostri esperimenti basterà un semplice alimentatore da PC (in grado di erogare gli ampere richiesti) o in alternativa la batteria della nostra automobile.
• Possiamo usare questo dispositivo con poche modifiche per controllare l'erogazione di corrente massima del nostro alimentatore.
• Il suo costo molto contenuto

Il dispositivo che ho battezzato CPUSimulator è stato da me realizzato in 2 versioni, una più tecnologica che simula la CPU montata sul suo zoccolo in modo da poter facilmente ancorare il dissipatore nelle stesse condizioni di un vero processore, ed una seconda versione "volante" costruita proprio per verificare che non vi siano risultati differenti da quelli ottenuti sul prototipo piu perfezionato.
La maggior parte degli utilizzatori riuscirà infatti a costruire questa ultima e più semplice versione del dispositivo in quanto per la prima versione è indispensabile disporre di una fresa per la realizzazione dello zoccolo portacircuito.
Il funzionamento ed i risultati ottenuti sono comunque praticamente identici per entrambe le versioni, ciò che cambia è il modo di fissaggio al dissipatore del dispositivo riscaldante. I materiali occorrenti al nostro scopo sono pochissimi, di facile reperibilità e di basso costo:

• Saldatore e stagno
• Componenti descritti nello schema
• Alimentatore PC o batteria auto
• Tester digitale per la taratura e misura temperature
• Un pò di tempo libero

Bene ed ora al lavoro !!!
La sequenza delle operazioni viene riportata allo stesso modo di come intrapresa, dalla progettazione alle successive fasi della realizzazione.

Il Progetto

L'idea venne un giorno in cui per testare il mio primo dissipatore fatto in casa usai il PC. Il nuovo dissipatore fu montato bene ma poi montando e chiudendo il case non mi accorsi che l'alimentatore andava a coprire il flusso della ventola ed il processore nel giro di poco era salito a 55° !!! Che cesso di dissipatore ho costruito dissi fra me e me in un primo momento. Poi mi accorsi dell'inghippo e per fortuna il test finì bene. Tale fatto mi orientò alla progettazione e costruzione di un dispositivo per testare i dissipatori indipendentemente dal montarli sul PC. All'inizio invero pensai di usare una cella di peltier, ma poi visto il suo costo eccessivo decisi per l'uso di un semplice MOSFET di potenza, acquistabile con qualche moneta di euro. Pilotare questi dispositivi è semplicissimo come vedete dallo schema. Il primo dilemma da risolvere è stato quello della superficie dissipante:
Creare una superficie identica a quella reale ?
Oppure utilizzare semplicemente il Mosfet come lo si trova in commercio?

Un MOSFET lavorato per ottenere una superficie come quella reale - un MOSFET nuovo

Il Mos a sinistra è fresato e presenta la stessa superficie di un AMD attuale ovvero 128 mm² mentre quello di destra è un MOSFET integro dopo una piccola lappatura. Dopo qualche test non avendo riscontrato differenze di prestazioni nel trasferimento del calore, ho optato per la versione integra del Mos, e questo anche nello spirito della costruzione standardizzata. Il mosfet in questione è un P477 della ST electronics (la stessa ditta che costruisce il chip della scheda video Kiro), in grado di sopportare una corrente di 30 ampere e una dissipazione massima di 150 W a 25°. Sono in commercio anche componenti di questo tipo in grado di dissipare 500 e passa W, ma per rimanere su prezzi umani possiamo limitarci anche ad esemplari da 250-300 W

lo Schema

Dopo aver scelto il tipo di componente da utilizzare per la dissipazione dei nostri Watt, ci occorre uno schema per farlo funzionare a dovere, ovvero da generatore di calore.

Ecco lo schema elettrico del CPU-Simulator

e per chiarezza qui di seguito l'elenco componenti:

R1 = 18 ohm 1/4 di W
R2 = 0.01 ohm 10 W oppure 16-18 spire avvolte su diametro di 6-8 mm con filo di rame da 1 mm
R3 = 33.000 ohm 1/4 di W
V1 = trimmer a 20 giri da 2000 ohm
C1 = condensatore poliestere 0,1 Microfarad 63 volt
C2 = condensatore elettrolitico 47 Microfarad 25 volt
C3 = condensatore poliestere 0,1 Microfarad 63 volt
C4 = condensatore poliestere 0,1 Microfarad 63 volt
C5 = condensatore poliestere 0,1 Microfarad 63 volt
U1 = integrato stabilizzatore 5Volt tipo 78l05 miniatura
U1a = circuito integrato LM358 con zoccolo
Mosfet = Qualsiasi mosfet in contenitore SOT23 in grado di dissipare 150 W

Si tratta sostanzialmente di un generatore di corrente costante regolabile che scarica tutta la potenza assorbita sul Mosfet. Come vedete infatti i 2 terminali di potenza del Mos (D ed S) sono attaccati alla tensione di alimentazione ed il terzo terminale ( G ) è pilotato dall'integrato LM358 in base alla corrente (e quindi potenza) che vorremo far dissipare al Mosfet. La resistenza da 0,01 ohm oppure autocostruita con il filo di rame serve al circuito per determinare quanta corrente sta passando, quindi è un componente fondamentale che va autocostruito con cura. Per facilità di utilizzo sarebbe meglio impiegare un valore di 0.01 ohm 10 W per R2, in questo modo ci verranno restituiti su di essa valori di tensione direttamente proporzionali agli ampere. Ma di questo parleremo in fase di taratura.
Per il resto nulla di difficile, abbiamo un integrato stabilizzatore da 5 volt che ci riduce la tensione da 12 a 5 volt per dare una tensione stabilizzata sotto carico al partitore resistivo R3-V1. V1 è il nostro rubinetto della potenza, con i valori in schema otteniamo una escursione di regolazione della corrente da 0 a 10 Ampere ovvero abbiamo a disposizione tutte le potenze comprese fra 0 e 150 w circa. I condensatori rimanenti servono per spegnere eventuali oscillazioni spurie presenti nel circuito con alte correnti, quindi non vanno omessi.

Il circuito stampato

In queste 2 foto possiamo vedere lo stampato utilizzato nel mio prototipo, ovviamente chi lo realizza può seguire anche questo disegno, ma ricordo che con questo layout dovremo saldare i componenti sul lato rame. Il vantaggio del montare i componenti sul lato rame è che non dovremo forare il circuito, anche se per fare questo saremo costretti a lasciare i terminali leggermente piu alti.

Lo stampato disegnato su rame - lo stampato appena sviluppato

Ecco quì lo schema dello stampato per chi vuole realizzare una costruzione tradizionale, ovvero con i fori ed i componenti montati in maniera tradizionale e per chi vuole realizzarlo nel modo illustrato dalle foto.

Lo stampato per montaggio su rame - lo stampato per montaggio normale

Noterete che si tratta dello stesso schema semplicemente mirrorizzato.

Il montaggio

Una volta realizzato lo stampato il montaggio risulta di facile esecuzione, gli unici componenti a cui dobbiamo fare attenzione sono quelli polarizzati o con piedinatura , tipo l'integrato e il Mos. Quindi inseriamo e saldiamo correttamente il condensatore, posizioniamo nel giusto verso l'integrato stabilizzatore e quello principale. Il Mos non va montato sul circuito, ma rimane un componente volante da applicare al dissipatore da testare. Utilizziamo allo scopo del filo di almeno 2,5 mm di diametro per i terminali D ed S, mentre per il terminale G possiamo utilizzare un piccolo filo. La lunghezza massima dei fili dovrebbe mantenersi entro 10-15 cm. Ricordo infatti che su questi fili scorre una forte corrente.

I componenti e la loro piedinatura

Le raccomandazioni sono sempre le solite, non scaldare eccessivamente i componenti con il saldatore, usare stagno di piccolo diametro (0,7 mm) e di buona qualità. Una buona saldatura è quella che rimane lucida almeno come e un dissi lappato ad arte. Io ho realizzato l'esemplare per i test su scheda breadboard, e non si può escludere che si possa anche realizzare il circuito in questo modo anche se viste le potenze in gioco mi pare di sconsigliare tale soluzione.

Primi test a montaggio volante

La prima accensione

Piazziamo prima di tutto il Mos su un dissipatore e fissiamolo bene, altrimenti assisteremo ad una costosa fumata, poi controlliamo di avere a disposizione 12 volt con la corrente richiesta ai nostri scopi, ad esempio se vogliamo far dissipare 60 W al circuito dobbiamo disporre almeno di 5 Ampere e così via utilizzando sempre questa formula:

W da dissipare : Volt alimentazione = Amperes necessari

Ora un piccolo appunto sulla potenza degli alimentatori da PC:
non crediate di poter prelevare da questi una corrente pari a quella di targa per lunghi periodi , in quanto tale dato si riferisce normalmente alla massima potenza erogabile per brevi periodi o addirittura di picco. Per stare sul sicuro partite sempre con la metà della corrente massima dichiarata e poi in caso salite piano piano. Poichè per i nostri test potrebbe essere necessario lasciare il circuito e l'alimentatore accesi per lunghi periodi, verificate bene le capacità degli alimentatori che avete a disposizione, ricordo infatti che nell'alimentatore PC la linea a 12 volt può non essere protetta e che quindi non si sa quali danni potrebbero insorgere a causa di un malfunzionamento dei medesimi, non ultimo vi è infatti un serio pericolo di incendio in caso di guasto.

Utilizziamo cavi di sezione adatta alle correnti in gioco, una singola linea di normali fili dell'alimentatore non riesce a sopportare il carico quindi utilizziamo la corrente prelevandola da 2 o 3 molex contemporaneamente (naturalmente unendo fili gialli con gialli e fili neri con neri, i rossi non ci servono).

La taratura

Ricordiamoci sempre innanzi tutto che il dissipatore deve essere montato.
Ricordo inoltre che sul dissipatore è presente il positivo dei 12 volt di alimentazione, quindi attenzione ai cortocircuiti. La taratura del circuito è piuttosto semplice, ma va fatta con cura poichè è da una perfetta taratura che otterremo l'esattezza dei dati. Prima di accendere il circuito portiamo il trimmer della regolazione a metà della sua corsa, in modo che avremo un assorbimento medio di corrente. Se l'alimentatore non si avvia in queste condizioni provare a ruotare il trimmer in un verso e ritentare fino ad ottenere l'accensione dell'alimentatore. Una volta che l'alimentatore si è avviato controllate se il Mosfet scalda ed eventualmente se avete disposto un piccolo radiatore state attenti a non fargli raggiungere temperature elevate, ma anche soprattutto a non scottarvi. Tale componente supporta senza pericolo temperature intorno ai 150 gradi, ma la vostra pelle no !!!!!!
Prendiamo il nostro fidato tester digitale e colleghiamolo in serie al positivo di alimentazione, predisposto per una lettura di 10 ampere, diamo corrente e leggiamo l'assorbimento, portiamolo con il trimmer ESATTAMENTE ad un valore di 1 Ampere. Ottenuto tale valore stacchiamo il tester dal circuito senza più toccare il trimmer. Riattacchiamo la corrente, in questo momento il Mos dissipa esattamente 12 W se la tensione di alimentazione è stabile sui 12 volt.
Ora predisponiamo il tester sulla portata 200 mV tensione continua ed attacchiamolo ai capi della resistenza R2, attendiamo un attimo e e segnamoci questo valore che sarà importantissimo !!!
Tale valore, supponiamo ad esempio di 15 mV è la caduta di tensione corrispondente al passaggio nel circuito della corrente di 1 ampere o se preferite di 12 w dissipati.
Ora risulta evidente che se giriamo il trimmer fino a leggere 75 mV, nel circuito stanno scorrendo 5 ampere, corrispondenti a 60 W di dissipazione.
se giriamo il trimmer fino a leggere 45 stiamo dissipando 36 W e scorre una corrente di 3 ampere
se giriamo il trimmer fino a leggere 22.5 stiamo dissipando 18 W e scorre una corrente di 1,5 ampere

Volendo fare una raffinateza potremmo anche agire sulla R2 allungandola o accorciandola (come numero di spire o come lunghezza) fino a trovare il valore che più ci aggrada corrispondente al passaggio di 1 ampere (consiglio 10 mV). Se utilizziamo per R2 con una resistenza da 0.01 ohm 10 W non ci dovremo preoccupare della taratura, in quanto con essa otterremo una lettura di 10 mV per ogni ampere.

Vi mostro alcune immagini delle fasi lavorative salienti del mio prototipo molto pratico poichè simula perfettamente lo zoccolo CPU ed il montaggio del dissipatore su di esso. Nessuna differenza di prestazioni è comunque stata riscontrata con il modello "volante".

Lo zoccolone che implementerà il circuito

Il circuito inserito nello zoccolo è pronto all'uso...

La pasta mostra che l'accoppiamento Mosfet radiatore è perfetto

Considerazioni finali

Dopo alcuni brevi test ho constatato che il circuito è molto stabile e regolare alle basse potenze, mentre necessita di piccole modifiche per renderlo piu stabile a quelle superiori ai 100 W. Per effetto del riscaldamento della R2 si manifesta infatti una deriva termica di assorbimento di corrente che tende a far diminuire la potenza dissipata dopo un periodo di circa 10 minuti. Tale fenomeno si manifesta con la R2 autocostruita, mentre con una resistenza comprata da 10 w ci si mantiene con una deriva notevolmente minore. Il circuito è un generatore di corrente costante quindi assorbe la corrente impostata indipendentemente dalla tensione di alimentazione, perciò occorre verificare che durante il test il vostro alimentatore non si "sieda" ovvero non perda tensione a causa dell'assorbimento, cosa che farebbe variare l'assorbimento dei W totali previsti. Quindi oltre a controllare la corrente diamo poi anche una occhiata che la tensione sotto carico non sia diminuita.
La superficie di contatto del Mos è in rame e possiamo provvedere a lapparla nella maniera classica onde migliorare il passaggio del calore in aggiunta anche a pasta di zinco. La superficie utile di contatto del Mos per il passaggio di calore si aggira intorno ai 180 - 200 mm² contro i 128 mm² degli ultimi AMD e i 100 mm² dei pentium 3.

La prossima versione del simulatore prevede una dotazione minima di strumenti propri di lettura dei valori di tensione e corrente, l'implementazione di 2 sonde a contatto con mosfet/dissipatore, una regolazione della corrente tramite potenziometro esterno. Allo studio anche una eventuale versione completamente digitale e con software di gestione e monitoraggio tramite PC

ATTENZIONE ! Gli argomenti ed il progetto trattati nella presente pagina possono provocare danni alla persona qualora chi le esegue non abbia una certa familiarità e manualità con l'elettricità, la meccanica, l'elettronica, i sali necessari allo sviluppo dei circuiti, soda caustica.. ecc.. ci si astenga quindi eventualmente dal metterle in pratica qualora non si abbia familiarità con le cose predette.
In ogni caso lo scrivente non si ritiene responsabile di eventuali danni provocati dal progetto e dal suo utilizzo a cose e/o persone.