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Our new TDP simulator was born – Even better measurements for coolers, water blocks, radiators, thermal pastes and pads | Practice

Disclaimer: The following article is machine translated from the original German, and has not been edited or checked for errors. Thank you for understanding!

We all know that Igor’s LAB and reliable measurement technology go together like a riot and it still captures the meaning quite well. I, Bernhard from CrankzWare, was consulted by Igor and asked for practical help to jointly develop a measurement prototype as a TDP simulator and, as it were, to bring it into the world in real existence. Of course, I like to support my dear friend with expertise and manufacturing know-how, so that this project was not only a lot of fun in the end, but also cost a lot of nerves – just as it should be for a demanding project. Otherwise life would be dull and boring.

But what are we talking about now, specifically? Igor would like to test cooling components and heat conduction media, whether air- or water-bound, reliably and also reproducibly. The primary focus of this project is the precise control of the waste heat in watts, and secondarily, of course, the traceability and suitability for use in a laboratory environment. In short, it is a matter of converting electrical energy into thermal energy. What is particularly exciting about this project is that I have to intentionally emit exactly what chips actually only emit as an annoying side effect, namely heat.

The following maxims were prescribed for me as specifications:

  • Safe operation
  • High load capacity
  • Accurate measurement tolerances (</=1%)
  • High reproducibility of all tests
  • Scalability and editability of the superstructures
  • Predefined TDP levels for common waste heat classes with fine tuning
  • Universal attachment to enable a wide range of measurements, even across divisions

Since I’m not a metalworker and I’m sure I never will be, Igor will (have) further developed and manufactured the more advanced work such as special support surfaces for heat conducting pads with special sensors and pressure adjustment. My part is that of a heat sling as accurate as possible as a reliable and durable base. The rest is then a pure accessory development and not my thing anymore. But also the construction of the heating station has become a bit trickier than initially thought. But I don’t want to get ahead of myself.

The conception

When electricity is to be converted into heat, one always thinks first of the temperature resistance of possible components and assemblies. Of course, in this context I decided to use an aluminium housing, because a thermal decoupling between heater core and housing can never really be 100% successful. The next thought was then how to make this prototype safe in operation. The answer is quite simple, at least with functioning building services: An input fuse, as well as a decent grounding of the housing are the usual minimum requirements.

We continue with the general electronics: We use power supply modules that convert our 230V alternating current to 12V direct current. The heater core will then use this 12V to efficiently convert electricity into heat. There are two basic ideas here: either use heater cartridges to fire the heater core, or load resistors. Both should work, but in the end I decided for the second one, the reason you will find out later.

Most of the work is done by the control system. This should be fast, precise and comprehensible. Of course it is good in the first step if we have thought out the energy conversion in general, but performance without control is also worth nothing. Since we are dealing exclusively with heating cartridges or load resistors as “consumers”, my solution is: power amplifier, PWM controlled on low-side.

Since the status and the settings of the device have to work quickly and reliably even in rough environments (and because my software developer is on his last legs in terms of capacity), we stick to analog technology here. Of course, a programmable display would also be a good idea, but that would require a lot more development time, so in this case, LEDs and a potentiometer, as well as a few illuminated LCDs will do for now.

I had my fun planning and assembling it, you have it now (hopefully) reading it. And I can promise you now, it will certainly be interesting and anything but too theoretical and boring. We are still craftsmen and developers, not politicians 🙂

 

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RedF

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1,907 Kommentare 770 Likes

Danke für die einblicke in das Projekt.

Jetzt kann ich erste messungen kaum abwarten : )

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ipat66

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293 Kommentare 256 Likes

Freue mich auch schon auf die Ergebnisse.
Geiles Projekt !!!
Danke Igor,danke Bernhard.

Eine Frage kam mir aber in den Sinn,als ich das Photo des fertig montierten TDP-Simulator sah.

Wie lange wird die (scheinbare) Obergrenze von 240 W ausreichen?
Der immer größer werdende Energiehunger von CPU und GPU ist ja, gelinde gesagt, extrem.

Auf der anderen Seite,bleibt ja anscheinend noch Platz für ca. 3 weitere Dioden rechts von 240 W...:)

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Igor Wallossek

Format©

6,167 Kommentare 9,686 Likes

Für das, was ich hier testen werde, reicht das mehr als aus. Denn selbst GDDR6X hat ja nur 3 Watt pro Modul und CPUs liegen unter 200 Watt. Und es ist ja erst einmal mehr nur der Prototyp. Das lässt sich später noch erweitern.

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D
Deridex

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1,729 Kommentare 537 Likes

Schönes Projekt. Ich denke damit lässt sich zumindest feststellen wie es um die allgemeine Wärmeabfuhr steht. Jedoch denke ich, dass das den Test auf der CPU/GPU nicht ersetzen kann.

Ein paar Details sind mir beim In-der-Mittagspause-kurz-überfliegen aufgefallen:
- Das EDA Tool sieht mir stark nach Eagle aus. Verwendest du das wirklich auch für 8Layer?
- Ich glaube die Pins beim Footprint der Mosfets sind zu weit auseinander. Wenn es um den Abstand geht, rate ich dazu, die Pins auf der dünneren Seite des Materials (sind normalerweise rechtwinklig und nicht quadratisch) zu biegen.
- Habt ihr einen Lüfter im Gehäuse? Fals nicht würde ich dringend dazu raten.

Edit: Punkt gestrichen und etwas ergänzt

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ipat66

Veteran

293 Kommentare 256 Likes

Im Gehäuse sind keine...
Rechts und links am Gehäuse aber schon ( 2x80er Lüfter )....:)
Sieht man auf dem letzten Bild und bei der Beschreibung der Inbetriebnahme.

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D
Deridex

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1,729 Kommentare 537 Likes

Ops, habe ich übersehen :)

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crankzware

Hersteller-Account

22 Kommentare 21 Likes

Yep, da hast du recht. Ich mache öfter mal viele Layer mit EAGLE aber ab 6 wirds unschön :) Die Vias für die MOSFETs sind tatsächlich 5,08 mm Rastermaß und nicht 2,54, wie es sich für TO220 eignentlich gehört. Das habe ich in diesem Fall aber so machen müssen, da die Traces zu dick waren und ich keinen Aufpreis für das PCB für doppelte oder dreifache Kupferlage bezahlen wollte.

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T
Tombal

Mitglied

79 Kommentare 18 Likes

Ganz schön mutig, die beiden Open-Frame-Netzteile einfach so parallel zu schalten. Wie soll den so eine gleichmässige Lastverteilung erreicht werden? Ist die Spannung des einen Netzteils nur einige Millivolt höher, als die des anderen, dann übernimmt es die komplette Last. Bei vielleicht 180W wird es dann Überlast erkennen und sich abschalten, dann übernimmt Netzteil #2 und schaltet sich wenige Millisekunden später auch ab. Nummer #1 ist inzwischen wieder gestartet und die ganze Schaltung schwingt wie verrückt.

Die Schaltung würde ich daher so abändern, dass jedes Netzteil getrennt jeweils die Hälfte der Lastwiderstände betreibt. Und ich habe gesehen, dass beide Netzteile direkt übereinander montiert sind - da wird sich das untere nicht besonders wohl fühlen und sich rasch aufheizen.

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crankzware

Hersteller-Account

22 Kommentare 21 Likes

Die Netzteile wurden natürlich vorher aufs Zehntel Millivolt genau eingestellt mit geeichtem Multimeter. Schwingen kommt nicht vor, da die Netzteile für mehrfachen Parallelbetrieb ausgelegt sind realisiert wird das durch einen Komparator. Die Netzteile werden nicht wärmer als 35 Grad oben und 45 Grad unten bei Zimmertemperatur wenn die Lüfter laufen.

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jahtari

Veteran

151 Kommentare 47 Likes

Für mich als ausgebildeten Informationselektroniker und Industriemechaniker ziemlich spannend und auch direkt zu Beginn schon amüsant:

Passiert Dir bestimmt kein zweites mal. Ich wette, beim nächsten Projekt wandert das Gehäuse unlackiert beim Schlosser. :p

So und jetzt les ich erstmal weiter. ;)

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About the author

Bernhard Baumgartner

Bernhard is since a long-time a hardware developer in the field of optoelectronic. With his start-up CrankzWare he developed and sells a platform of an independent RGB, fan and pump controller, called RainPOW.

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