INTRODUCCIÓN

Hace ya bastante tiempo que los ventiladores forman parte de la vida cotidiana de los ordenadores. Los primeros se utilizaban para liberar el calor producido por las fuentes de alimentación, pero con el avance de la tecnología se hizo necesario su uso para refrigerar otras partes como la CPU o la tarjeta gráfica, prácticamente en la totalidad de las arquitecturas modernas. Hoy en día es fácil encontrar varios ventiladores instalados en nuestros equipos con la finalidad de mejorar la disipación de calor y la correcta circulación del aire interior.

Hay que tener en cuenta que los ventiladores funcionan gracias a que incorporan un motor eléctrico. Estos funcionan por medio de un campo magnético, algo que en principio puede afectar a la electrónica del ordenador y sobre todo a ciertos soportes como discos o cintas. Es por ello que los utilizados en el mundo informático son los llamados "brushless" en inglés, que significa sin escobillas, con unas prestaciones que permiten una correcta integración.

En muchas ocasiones no se les presta la atención necesaria, por lo que en el presente artículo voy a desgranar todo lo que hay que saber sobre estos aplicados al mundo informático.

FUNCIONAMIENTO

Como ya he indicado los motores eléctricos funcionan por medio de campos magnéticos. Al igual que nuestro planeta tierra todo imán tiene un polo norte y un polo sur, o es lo mismo que decir polo positivo y negativo. Su uso práctico se basa en que dos campos magnéticos enfrentados producen una atracción cuando son de diferente naturaleza, positivo y negativo, o una repulsión cuando son iguales, positivo-positivo o negativo-negativo.

Usando este principio básico de la física se puede construir un mecanismo que permite producir una repulsión constante utilizando un imán fijo y otro alternado (encendido o apagado de un electroimán), unido en una pieza que gira con un eje sobre si misma como una peonza.

Tradicionalmente los motores de corriente continua (DC en inglés) tienen un imán o varios fijos en forma de anillo (hechos de algún material ferroso de imantación permanente) y en el interior un electroimán adosado a un eje que permite su giro producido por el encendido-apagado de este de manera sincronizada. Como aquí es el electroimán el que gira y hay que hacerle llegar corriente no se puede utilizar un cable fijo adosado a este, ya que se enrollaría en el eje al girar y no sería válido en la práctica. Para ello utilizan un mecanismo llamado colector que por contacto de unas escobillas metálicas hace llegar la corriente hasta los bobinados de los electroimanes, produciendo la conmutación de estos y dando como resultado una fuerza de repulsión que se transformará en un giro constante del eje. En este tipo de motores se puede producir una gran velocidad y también una gran fuerza pero con un alto consumo eléctrico, por lo que su uso está muy extendido en todo tipo de aplicaciones desde profesionales a juguetes.

Otro tipo de motores eléctricos son una variante de estos que hacen girar el imán ferroso y mantienen fija la parte del electroimán. En este caso si que se puede fijar el cable conductor al conjunto electroimán, que al no tener movimiento prescinde del colector, denominándolos "brushless" que significa sin escobillas. Como aquí el encendido-apagado de los diferentes electroimanes no se produce por acción mecánica de un conjunto colector-escobillas, será un pequeño circuito electrónico el que lleve a cabo esta tarea. Los hay de dos tipos, los que llevan el electroimán en el exterior (intake) o en el interior (outtake). Los primeros pueden producir una gran velocidad de giro (probablemente más que otros) pero una menor fuerza, lo que los limita a aplicaciones muy concretas. El segundo tipo es el más utilizado, girando el imán permanente por el exterior, que obtiene también buena velocidad pero aún más fuerza que los primeros, lo que los hace ideales para mover las aspas de un ventilador que requiere de un cierto esfuerzo de trabajo.

Los motores tradicionales de escobillas tienen el inconveniente de producir una menor eficiencia que los brushless, ya que derrochan gran cantidad de energía debido a su mecanismo de funcionamiento, por lo que necesitan una potencia eléctrica mayor que desemboca también en un mayor consumo. Los otros, al llevar un control electrónico, aprovechan mucho más la energía eléctrica y su eficiencia es significativamente mejor por lo que su consumo está mucho más ajustado y el campo electromagnético generado también es menor. Además, en los tradicionales, el mecanismo colector-escobillas puede producir fallos (por acumulación de carbonilla que hace de conductor eléctrico) y un gran desgaste, a parte de una gran cantidad de calor en trabajos intensivos que frecuentemente hay que disipar con elementos auxiliares, algo que no ocurre tan intensamente en los brushless.

Dado que los brushless tienen una mayor eficiencia de trabajo con un menor consumo, se calientan menos y producen un menor campo magnético son ideales para el mundo informático, que serán los que analizaremos en este artículo.

PARTES DEL VENTILADOR BRUSHLESS

El motor brushless más utilizado en ventiladores es del tipo imán permanente en forma de anillo exterior, que es el que llevará unido el eje de transmisión de giro.

El conjunto de bobinas, a la derecha en la imagen, se denomina "estátor" y es la parte fija que no se mueve. Los bobinados producen un campo magnético (electroimán) y el encendido-apagado de estos se controla con una circuitería que está alojada en una pequeña placa anexa (de color verde en la imagen). Existen motores brushless con más bobinados (siempre en número par), pero en general los ventiladores de informática suelen llevar cuatro. En el centro justo del conjunto está alojado un grupo de cojinetes, de varias tecnologías posibles, donde se insertará el eje que va unido al imán que produce el movimiento.

El imán permanente, a la izquierda de la imagen, suele tener forma de anillo y está fabricado de algún tipo de material ferroso al que se le imantan las partículas alineándolas por secciones, configurando así campos magnéticos alternos. Esto significa que la primera sección de este tendrá una orientación determinada, norte o sur, y la siguiente la contraria, hasta terminar la vuelta completa. En ocasiones este imán está formado por pequeños grupos de imanes de neodimio, que configurarán un motor más potente y generalmente más rápido; no suele utilizarse este tipo en ventiladores en informática, reservándose únicamente para motores de tracción donde se necesita una gran potencia, como en modelismo radiocontrolado o herramientas de bricolaje. Se denomina a esta parte "rotor", ya que es el que produce las rotaciones del movimiento, uniéndose a este el conjunto de aspas que al girar producirán el flujo de aire.

La electrónica que integran controla el encendido-apagado de los bobinados, produciendo campos magnéticos que inciden en la repulsión y atracción del imán creando el movimiento circular. Cuanto más rápido se produce este cambio mayor velocidad se obtiene, dentro de unos márgenes máximos y mínimos. Incluyen algún mecanismo de detección del campo del imán permanente para saber en todo momento que bobinado se debe activar para que actúe. Generalmente este detector del campo magnético utiliza el llamado "efecto Hall" y el encargado de hacerlo es un pequeño integrado que a veces incluye alguna función más. En ocasiones se añade la electrónica necesaria para generar una señal que permite a la placa base registrar la velocidad de giro en revoluciones por minuto (RPM). También es usual encontrar, sobre todo en los ventiladores para refrigerar procesadores, electrónica para regular de manera digital la velocidad de giro, pudiéndose controlar desde la placa base.

Los más sencillos tienen dos únicos cables que tiene como función suministrar la corriente necesaria para el funcionamiento, uno positivo generalmente de color rojo y otro negativo o masa de color negro. Algunos disponen de un tercer cable, habitualmente amarillo o blanco, que es el utilizado para medir las revoluciones de giro. Aquellos que integran un cuarto cable, azul, sirve para que la placa base pueda controlar la velocidad de giro por medio de pulsos, tecnología denominada PWM, que según sea el fabricante los colores pueden ser rojo-negro-amarillo (o blanco)-azul o más comúnmente rojo-negro-azul-verde.

TIPOS DE COJINETES

Los cojinetes son el soporte del eje. Tienen que ser suficientemente resistentes al desgaste y a la vez permitir el correcto giro del rotor. Esencialmente hay dos tipos utilizados en ventiladores: Rodamientos de bolas y casquillos.

Los rodamientos de bolas son pequeños anillos que encierran en su interior un mecanismo con un conjunto de bolas. Desarrollan un giro con poca fricción, lo que permite alcanzar mayor velocidad y durabilidad por lo que su uso es aplicado principalmente a ventiladores de gama media/alta. También permiten ser cambiados cuando están dañados o desgastados por el uso, pues son fáciles de localizar en tiendas especializadas. Por contra generan más ruido y vibraciones. Generalmente no deben ser lubricados y pueden encontrarse con protección anti-polvo o incluso sumergibles.

Los casquillos ("rifle bearing" en inglés) son piezas sólidas con un agujero donde encaja el eje perfectamente. Se fabrican habitualmente en bronce, que permite un desgaste muy pequeño respecto a otros materiales, aunque los hay de mejores prestaciones pero más caros. Generan mayor fricción y también más calor, lo que provoca una vida más corta de uso. Normalmente llevan algún tipo de lubricante que se deteriora y/o consume irremediablemente con el uso y el tiempo, lo que obliga a sustituirlo manualmente de manera periódica con el fin de mantener sus prestaciones, aunque la mayoría de las veces esto no se hace debido a su dificultad y al bajo coste de un ventilador nuevo. No generan casi ruido, en comparación con los de bolas, siendo bastante silenciosos en este aspecto cuando no se encuentran dañados.

Recientemente existen varios diseños que mejoran esta tecnología, como la llamada FDB (Fluid Dynamic Bearing) que permite el auto lubricado constante del eje por medio de un pequeño depósito de aceite que está a presión, mejorando considerablemente la durabilidad del conjunto así como sus prestaciones. La marca Aerocool es una de las que la utilizan en varios modelos.

Otra tecnología es Maglev (Magnetic levitation) o levitación magnética. Es una variante que usa un campo magnético que eleva el eje y al girar deja de hacer (o minimiza) el contacto físico con el cojinete mientras lo mantiene equilibrado, provocando un menor desgaste que se traduce en una durabilidad insuperable. Es el caso de los fabricados por la marca Sunon.

Como se ha visto, existiendo únicamente dos tecnologías, rodamientos y casquillos, hay ciertas variantes que mejoran considerablemente las prestaciones. Esto permite desarrollar ventiladores con una durabilidad muy elevada, funcionan durante mucho más tiempo que los tradicionales y con menores fallos durante todo su ciclo de vida. Aunque son más caros estos modelos merece la pena invertir en ellos por que aumenta bastante el tiempo de vida, durante el cual se amortiza ámpliamente.

CAUDAL Y PRESIÓN DE AIRE

Dos aspectos importantes que describen las prestaciones de los ventiladores son el caudal y presión de aire máximas. El caudal de aire es el volumen que puede mover en una determinada medida de tiempo. La presión es la fuerza con que es empujado el aire que desplaza.

Hay que tener en cuenta que en un ventilador una mayor velocidad no significa un mayor caudal de aire y, por supuesto, tampoco una mayor presión de aire. Para entender esto mejor veamos como se miden estos dos parámetros:

• El caudal se suele medir en m³ /h que indica los metros cúbicos que se mueven por hora (u otra medida de tiempo como m³ /s o metros cúbicos por segundo); CFM es la más usada en notación americana (USA) y significa Cubic Feet per Minute (Pie cúbico por minuto), que indica el volumen en pies cúbicos de aire por minuto.
• La presión se mide generalmente con la unidad mm H2O; en notación americana se usa inch-H2O (pulgadas de agua).

El diseño y tamaño de las aspas dicen mucho del rendimiento de un ventilador. Unas aspas más grandes o más anchas significa la necesidad de disponer de un motor con más fuerza para alcanzar unas determinadas revoluciones, pues produce un mayor frenado aerodinámico al actuar sobre una masa mayor de aire. Estas pueden aumentar de tamaño si reducimos el ancho o el ángulo, pero no generarán tanto caudal de aire y tampoco desarrollarán más presión. Son cuestiones de la física aerodinámica.

Veamos un ejemplo comparativo para entenderlo: Supongamos que un vehículo cargado debe subir por una carretera con una pendiente pronunciada. Para ello disponemos de dos motores de idéntica cilindrada, uno de gasolina y otro diésel. ¿Cómo se comportarán?

- Gasolina: El vehículo en llano desarrollará una buena velocidad dadas las características de estos motores. Sin embargo al subir una carretera inclinada la velocidad se verá disminuida considerablemente debido a la carga y la resistencia de la pendiente, que puede provocar incluso que no desarrolle la fuerza necesaria para ascender y quede finalmente parado.

- Diésel: El vehículo tendrá una velocidad moderada en llano. Al llegar a la pendiente esta se verá mermada, por supuesto, pero este tipo de motor puede desarrollar más fuerza lo que permitirá completar el trayecto hasta la cima de manera desahogada, a pesar de mantener una velocidad lenta.

Pues esto mismo ocurre con los motores eléctricos en general y por supuesto también en los ventiladores brushless utilizados en informática. Algunos tienen mucha velocidad, con un mayor caudal de aire teórico, pero por el tipo de diseño no tiene por qué generar mayor presión de aire que otros que giren más lentos. Por eso pierden gran parte de su eficiencia (velocidad y caudal) al acercarlos al objeto a ventilar, normalmente las rejillas de un disipador, por culpa de las turbulencias generadas por el frenado aerodinámico (rebotes de aire). En la comparación diremos que estos son los equiparables a los motores de gasolina.

Otros ventiladores están diseñados para generar una mayor fuerza, que permite accionar aspas más robustas (anchas y largas) que no generan más caudal de aire solo por velocidad. En su lugar producen una mayor presión de aire por la mayor fuerza que desarrollan, lo que se hacen más indicados para instalarlos cerca de los disipadores y radiadores de refrigeración líquida. Son los diésel del ejemplo que, al igual que esta tecnología, suelen vibrar más y ser más ruidosos sobre todo cuando alcanzan ciertas velocidades, por lo que frecuentemente se comercializan con algún sistema anti-vibraciones y/o reducción de ruido.

Por tanto los ventiladores tienen un uso específico dependiendo de su uso. Para disipar el interior de una caja, o aquellos que no tengan cerca algún obstáculo, se recomienda utilizar ventiladores con aspas ligeras o medias que generen un buen flujo de aire sin importar demasiado su fuerza. Para aquellos que se destinen a enfriar aletas de disipación (disipadores de CPU o radiadores de refrigeración líquida) lo recomendable es utilizar ventiladores con un buen flujo de aire pero que produzcan una gran presión, para compensar la pérdida de prestaciones por tener objetos cercanos.

EL RUIDO GENERADO

Otro de los factores que caracterizan a los ventiladores es el ruido que generan. No se puede decir que estos sean especialmente ruidosos o molestos, pero todo depende de la apreciación de cada persona. Algunos no dan demasiada importancia a algo de ruido, pero otros se molestan con un simple murmullo.

En teoría los ruidos por encima de 60 dBa son inaceptables, ya que comienzan a producir efectos psico-patológicos, la llamada contaminación acústica. Afortunadamente muy pocos ventiladores de ordenador llegan a ese nivel.

Hay que tener en cuenta que un equipo informático típico puede contar con más de un ventilador y la suma del ruido generado por todos puede llegar a ser apreciable. Por ello los fabricantes se han esforzado en diseñar estos con diversas formas y tecnologías que minimizan el ruido.

Pero, ¿de dónde sale el ruido de un ventilador? Realmente hay dos orígenes, uno es el producido por la acción mecánica de sus componentes (generalmente los cojinetes) y el otro generado por el roce del aire al pasar por las diferentes partes de este. Hay un tercer tipo que tiene como origen el generado por componentes electrónicos, pero solamente se produce cuando son utilizados de manera indebida (menor voltaje que el diseñado).

Por lo que se aprecia en el diseño de los ventiladores, estos generan menos ruido cuando el fabricante ha introducido cambios en la forma de las aspas o del soporte motor. Por ello hay series de ventiladores que son lanzados al mercado con la reseña "silencioso", lo que significa que de alguna manera su diseño se ha mejorado para disminuir lo máximo posible el ruido. Además suelen incluir algún tipo de silentblock que anula las vibraciones, con lo que además de producir menos ruido alarga la vida útil al provocar un menor desgaste.

Pero el aire generado también puede producir ruido después de haber salido del ventilador. Los elementos físicos que se encuentren en la trayectoria del aire pueden provocar ciertos ruidos por las turbulencias de este. Para evitarlo algunos fabricantes diseñan ventiladores que inciden en la trayectoria del aire para minimizar estas turbulencias. En realidad lo que hacen es evitar que el aire salga despedido en forma de remolino, debido al giro de las aspas que provoca ese efecto, para forzar una trayectoria lo más recta posible y focalizada. Esto tiene una incidencia directa en el ruido generado, pero también muy positiva en la refrigeración al permitir una circulación más uniforme y menos forzada por ciertos lugares estrechos, como las rejillas de ventilación de un disipador.

De cualquier forma hay que tener en cuenta que, en líneas generales, los ventiladores producen más ruido al aumentar las revoluciones. Por ello se han diseñado diferentes mecanismos para bajar las vueltas cuando no se necesitan. Uno de los métodos más utilizados es dejar a la placa base que controle la velocidad de manera automática, que será mínima cuando pase por periodos de actividad baja y más rápida cuando aumente el calor debido a una demanda de proceso. Otros métodos consisten en intercalar en la línea de alimentación del ventilador algún dispositivo que reduzca el voltaje, con lo que se reducirá también la velocidad; en este caso hay unos pasivos que con una resistencia mantienen un voltaje reducido constante (por ejemplo de 12v a 7v) y otros que permiten graduarlo manualmente por medio de un potenciómetro. También existen dispositivos que se instalan en el frontal del equipo y que permiten controlar varios ventiladores de manera independiente, conocidos popularmente como "reobus".

Otra tendencia utilizada en la actualidad para minimizar el ruido generado consiste en aumentar el tamaño del ventilador. Al generar un mayor caudal de aire este no debe girar tan rápido como los de menor tamaño, siendo más silenciosos en comparación. Esta técnica permite utilizar también disipadores más grandes con un aumento considerable del poder refrigerante, como es el caso de los utilizados en CPU.

AXIALES Y CENTRÍFUGOS

Existen dos formatos de ventiladores, atendiendo al método de impulsar el aire: Axiales y centrífugos.

Los clásicos o axiales, vistos hasta ahora, son aquellos que disponen de unas aspas en forma de hélice, parecidas a las de los aviones, que giran impulsando el aire hacia atrás (o hacia delante algunos especiales). Los centrífugos, conocidos en inglés como "blower", sustituyen las hélices por un tambor formado por láminas que funcionan como hélices, permitiendo aspirar el aire para impulsarlo en dirección lateral.

Los axiales son los más utilizados, adaptándose casi a cualquier función. Los centrífugos son principalmente instalados en algunas tarjetas gráficas, pero tradicionalmente se instalan en los anclajes de las tarjetas de expansión para extraer el exceso de calor de las cajas. También son los utilizados habitualmente en el interior de los ordenadores portátiles.

Los de hélice no son excesivamente ruidosos ya que lo normal es que este tipo de ventiladores no alcancen velocidades muy elevadas, dado su excesivo frenado aerodinámico, pues impulsan un buen volumen de aire por vuelta. Por regla general no suelen superar las 4000-4500 rpm, aunque los hay que pueden llegar a más de 10000.

Los centrífugos en cambio no acusan tanto este frenado (casi no existe), por lo que la presión y la velocidad de estos son más altas, siendo el ruido generado también mayor. Su funcionamiento y ruido es similar a una aspiradora y suelen superar con frecuencia las 6000 rpm, motivo por lo que la presión de aire que producen es tan alta. Permiten ser construidos con tamaños muy pequeños y delgados, lo que motiva su utilización casi exclusiva para la refrigeración interna de portátiles y configuraciones de reducido tamaño, como los llamados barebone.

CONCLUSIONES

Los ventiladores han evolucionado con el tiempo para ofrecer unas prestaciones cada vez mejores. Las nuevas tecnologías de fabricación permiten una durabilidad muy alta, lo que significa que es muy práctico invertir en buenos ventiladores, aún siendo más caros, pues se rentabilizan con el tiempo. Hoy en día es fácil encontrar algunos que son capaces de llegar a las 100.000 horas de uso e incluso superarlas, lo que significa un funcionamiento ininterrumpido de más de 11 años.

A la hora de escoger entre la gran variedad de ventiladores y marcas que hay en el mercado, el tamaño y las prestaciones (RPM, CFM, etc.) son fundamentales para una correcta optimización del equipo. Cada ventilador tiene un uso recomendado y debe respetarse en la medida de lo posible. Aún siendo del mismo tamaño no es lo mismo uno diseñado para intoducir-explusar aire de una caja que para el disipador de la CPU, aunque a veces la información suministrada por los fabricantes es un tanto confusa.

Los precios pueden oscilar bastante entre marcas, a veces influidos por la durabilidad que es un factor importante. Como en muchas ocasiones hay ciertas marcas que se consideran "prestigiosas" por sus diseños y sobre todo por unos altos precios, dando generalmente una falsa imagen de "calidad extra". Hay ventiladores con precios medios que no tienen mucho que envidiar a los más caros, siendo igual de válidos en la mayoría de las ocasiones.

Hay que tener en cuenta que, aunque lo habitual en informática es utilizar ventiladores comercializados exprofeso, la industria de estos es mucho más amplia. En el mercado habitual de componentes electrónicos, en tiendas especializadas, se puede encontrar un mayor abanico de marcas y modelos con infinidad de variaciones en las prestaciones. En estos casos resulta bastante sencillo conseguir datos técnicos de cada modelo, siendo más fácil determinar el más adecuado para cada caso. Así, por ejemplo, se puede buscar un modelo con el tamaño adecuado para un disipador de CPU, dónde una elevada presión de aire será el requisito principal.