Ventilateur à 3 ou 4 broches ?

Les ventilateurs utilisés dans un ordi sont équipés d'une nappe de 3 ou 4 câbles¹⁾ qui se termine par un connecteur femelle à 3 ou 4 broches. Logique

Les ventilateurs de processeurs²⁾ tendent à être systématiquement équipés de 4 broches. De nombreux ventilateurs de boîtier continuent à utiliser des connecteurs à 3 broches même si les modèles à 4 broches sont de plus en plus nombreux.

Sources :

• PWM vs. DC Fans: Fan Speed Control Strategies for CPU Cooling and Case Ventilation
• What is PWM and how does it work?
• Modulation de largeur d'impulsion
• How to interpret the output of a 3-pin computer fan speed sensor?

Les ventilateurs dont on parle sont équipés de moteurs électriques à courant continu, typiquement 12V.

• Deux broches transportent le courant qui va alimenter le moteur. Le courant est fourni par la carte mère³⁾.
• La troisième broche transporte l'information de vitesse de rotation du moteur. Elle est fournie par le ventilateur.
• La quatrième broche transporte un signal marche/arrêt contrôlant la transmission ou non au moteur du courant apporté par les deux premières broches. Il est fourni par la carte mère.

Cela souligne le fait que les trois “premières” broches jouent un rôle similaire, que le ventilateur soit équipé de 3 ou 4 broches.

Afin d'y brancher les ventilateurs, les cartes mères sont équipées de ports mâles à 3 ou 4 broches⁴⁾.

La question récurrente est : “Puis-je brancher un ventilateur à 3 broches sur un port à 4 broches, ou inversement, un ventilateur à 4 broches sur un port à 3 broches ?”

Dans les deux cas, la réponse est “oui”.

Cette compatibilité est facilitée par les détrompeurs dont sont équipés les ports des cartes mères et les connecteurs des ventilateurs. Autrement dit, si on ne force pas comme une brute, on ne peut pas les brancher autrement que correctement !

La carte mère récupère la vitesse de rotation (fournie par la troisième broche) afin d'adapter cette vitesse en fonction des besoins de refroidissement. Le but principal est de réduire les différents bruits émis par les ventilateurs, en limitant leur vitesse de rotation à ce qui est nécessaire⁵⁾.

Sur un ventilateur à 3 broches, la carte mère réduit la vitesse de rotation en faisant baisser la tension d'alimentation qu'elle lui fournit. Lorsqu'elle l'alimente en 12V, le ventilateur tourne à pleine vitesse. Si elle baisse cette tension à 11V, le ventilateur tournera moins vite. Supposons que la vitesse max, à 12V, soit de 2000 tours par minute (rpm⁶⁾). Si la carte mère souhaite que la vitesse soit de 1500 rpm, elle abaissera progressivement la tension jusqu'à ce que la troisième broche lui indique 1500 rpm.

Sur un ventilateur à 4 broches, la carte mère alimente le ventilateur à une tension constante de 12V. La quatrième broche lui permet d'ordonner au ventilateur de couper l'alimentation de son moteur pendant une fraction de temps. Il s'agit de microcoupures de quelques µs, intervenant plusieurs milliers fois par seconde. Plus les microcoupures sont longues, plus le ventilateur ralentit. Supposons que la vitesse max, sans coupure, soit de 2000 rpm. Si la carte mère souhaite que la vitesse soit de 1500 rpm, elle augmentera la durée des microcoupures jusqu'à ce que la troisième broche lui indique 1500 rpm.

Au final, on pourrait se demander à quoi sert cette quatrième broche (PWM⁷⁾ puisque la carte mère peut s'en passer pour piloter la vitesse de rotation des ventilateurs. Une chose est sûre, on sent la différence sur les prix

Tout part de là ! À pleine vitesse, les deux techniques se valent. Or, le but de la régulation est justement de limiter autant que possible - potentiellement tout le temps - le fonctionnement des ventilateurs à pleine vitesse. Or, plus on s'éloigne de la vitesse max, plus la PWM prend l'avantage en matière de bruit.

Bien sûr, un ventilateur PWM pourri sera plus bruyant qu'un bon ventilateur à 3 broches.

La PWM permet d'atteindre une finesse de réglage très élevée tout en garantissant une stabilité de régime moyen. Encore faut-il que les composants électriques et électroniques soient à la hauteur, tant du côté de la carte mère que du ventilateur⁸⁾.

Les ventilateurs PWM sont supposés avoir une durée de vie supérieure. Sur le papier, ça paraît sensé en ce qui concerne le moteur. Le fonctionnement en tout ou rien permet un meilleur rendement, moins de pertes et d'échauffement, donc moins d'usure. Si la finesse accrue de la PWM est correctement exploitée elle est de nature à atténuer les sollicitation mécaniques.

Mais la PWM embarque nécessairement une électronique supplémentaire qui soulève ses propres problématiques de longévité en matière de composants (usure, chauffe…).

À l'heure des cartes graphiques surpuissantes nécessitant un refroidissement liquide, des deux côtés de la carte⁹⁾, évoquer la consommation d'un ventilateur est quelque peu dérisoire. Ça l'est un peu moins quand on constate que des ordinateurs dédiés au jeu peuvent être équipés de 7, 8 ou 9 ventilateurs…

Quoiqu'il en soit, je n'ai pas trouvé de sources facilement ingurgitables présentant les avantages et inconvénients de chaque solution. D'un côté, le rendement du moteur étant meilleur en PWM qu'en variation de tension classique, la consommation doit être moindre pour un même travail. De plus le régulateur de tension variable équipant la carte mère engendre lui-même de pertes. De son côté la PWM nécessite une électronique propre, sur la carte mère comme à l'intérieur de chaque ventilateur. Certes il s'agit d'une électronique de commande par laquelle ne transite aucune énergie nécessaire au mouvement et donc peu consommatrice. Au-delà de ces généralités plutôt favorables au PWM, il est difficile de se forger une opinion en dehors de mesures précises qu'il sera problématique d'extrapoler ou n'importe quel matériel, tant la qualité des composants est importante.

J'ai supposé que la troisième broche fournissait la vitesse de rotation du moteur. C'est un peu plus compliqué…

Un moteur rotatif ne sait rien faire d'autre que “tourner”. Il fait de son mieux mais ne peut pas dire à quelle vitesse il tourne. Pour avoir une chance de la connaître, il faut lui adjoindre un dispositif minimum de mesure. Cette information doit ensuite être normalisée pour être envoyée sur la troisième broche, sous la forme de 2 impulsions à chaque tour. C'est pourquoi un ventilateur à 3 broches est plus compliqué et plus cher qu'un ventilateur à 2 broches.

La carte mère récupère l'information (les impulsions) et utilise une horloge interne pour en déduire une vitesse de rotation. Si la troisième broche du ventilateur émet 40 impulsions en l'espace d'une seconde, elle en déduira que le ventilateur tourne à 1200 tours par minute.

Sur un ventilateur à trois broches la carte mère utilise la variation de tension pour commander la vitesse de rotation. Hors les tensions qui lui sont fournies pas le bloc d'alimentation (PSU) de l'ordi sont aussi stables que possibles. Elle doit donc être équipée d'un régulateur de tension variable dont elle peut piloter la tension de sortie.

La finesse d'ajustement et la stabilité de ce composant conditionnent la finesse de réglage de la vitesse de rotation. Une finesse d'autant plus appréciée qu'on ne dispose pas d'une plage de variation de 0V à 12V. En dessous d'une tension propre à chaque ventilateur, le moteur s'arrête tout en pouvant générer du bruit d'origine électronique. Avant cet arrêt, à plus ou moins faible vitesse, il arrive que le ventilateur génère un bruit électromécanique. En pratique, la plage d'utilisation sera plutôt de 5V à 12V.

La quatrième broche apporte une autre technique permettant d'ajuster la vitesse de rotation du ventilateur.

En fonctionnement, la carte mère fournit au ventilateur un tension constante de 12V. Mais elle utilise la quatrième broche pour envoyer une succession extrêmement rapide de commandes marche-arrêt, à un fréquence constante, typiquement 25KHz (soit 25.000 fois par seconde) ou plus.

Pour simplifier les calcul, supposons que la fréquence est de 20KHz. Est ainsi créée une fenêtre de 50 µs pendant laquelle la carte mère choisira pendant combien de temps le moteur du ventilateur doit être alimenté et réciproquement, pendant combien de temps il ne le sera pas : par exemple, 30 µs de marche suivies de 20 µs d'arrêt. La carte mère peut changer cette répartition toutes les 50 µs. Sans surprise, plus la répartition est favorable au temps de marche, plus le ventilateur tourne vite. Avec 50 µs de marche (donc 0 µs d'arrêt), le ventilateur tournera à sa vitesse maximale. Le graphique suivant illustre différents taux de répartition marche/arrêt :

À cette fréquence, les arrêts et redémarrages du moteur sont imperceptibles ¹⁰⁾. De plus, l'inertie mécanique du ventilateur va amortir l'effet des variations d'alimentation de son moteur. Le capteur utilisé pour détecter les rotations du ventilateur et envoyer l'information sur la troisième broche ne “voit” que le résultats moyenné de ces “microcoupures”.

En termes de technologie, ça n'a rien à voir avec un ventilateur à trois broches. En forçant le trait, un ventilateur à 3 broches est comme un ventilateur de voyage à piles. Quand les piles sont fatiguées, il tourne moins vite. Les ventilateurs PWM introduisent une électronique de commande incomparablement plus sophistiquée et plus onéreuse.

En soi, contrôler les vitesses de rotation d'un ensemble de ventilateurs ne sert à rien. Le but est :

1. de maintenir l'ensemble des composants de l'ordi à une température correcte,
2. en faisant le minimum de bruit.

Le premier objectif permet de rappeler que faire tourner tous les ventilateurs installés à leur vitesse maximale n'est pas nécessairement la meilleure réponse. Cette stratégie peut nuire à la qualité du flux d'air généré. De nombreux facteurs entrent en jeu tels que la conception du boîtier, le nombre et l'emplacement des ventilateurs, la nature, la répartition et variabilité des points chauds, etc.

La régulation incombant à la carte mère, la qualité du logiciel de régulation embarqué, la multiplicité des données collectées et traitées et les possibilité de paramétrage déterminent la qualité du flux d'air qu'il sera possible de maintenir dans un contexte de fonctionnement évoluant en temps réel.

Ainsi, lors du choix d'une technologie de ventilateurs, il convient d'interroger l'importance qu'on y attache au regard de l'attention que l'on accorde aux autres aspects¹¹⁾. Par exemple, les meilleurs ventilateurs du monde pilotés par le excellent logiciel de régulation ne pourront que tirer le maximum d'un boîtier dans une implantation donnée des composants.

Quant au niveau de bruit, une technologie de modulation ne fera jamais que restituer plus ou moins bien les qualités ou les défauts “de base” d'un ventilateur. Si l'on est tentée par un ventilateur PWM, il est toujours intéressant de regarder quel ventilateur à 3 broches on pourrait s'offrir pour le même prix.