La carte Raspberry PI 3 est une carte formidable sur de nombreux points techniques mais la température de son processeur a une fâcheuse tendance à s'envoler lorsqu'il est longuement sollicité, notamment lors de la compilation du noyau. Pour ma part, je m'étais adjoint les services d'un (gros) ventilateur de récupération de 60x60mm, branché sur un port USB de la carte et calé dans le boîtier de mon Pi-TopCeed afin de ne pas faire trop souffrir la mécatronique (fracture de billes boîtier BGA notamment, un mal très répandu dans le monde des consoles de jeux).

Un ventilateur actif pour votre carte Raspberry Pi 3B pratique et efficace. C'est ce que je vous propose de bricoler.

Liste du matériel nécessaire :

  • un kit de prototypage mezzanine RPI 023B+ Garatronic (désolé, c'est un peu ... alimentaire),
  • un ventilateur 40x40x10mm de récupération de 12V ou 5V. Veillez à vérifier le bon fonctionnement du ventilateur avant de vous lancer,
  • un foret métal de diamètre 2,5mm et de diamètre 4.5mm (ou diamètre approchant du foret central de votre scie cloche),
  • une perceuse, de préférence avec une vitesse de rotation lente. N'importe quelle perceuse visseuse sans fil fera l'affaire,
  • une scie cloche de diamètre 38mm (dans l'exemple j'utilise un coffret Bosch code EAN3165140415682 au prix conseillé de 13,48€ TTC ),
  • un taraud M3 (j'utilise la visseuse mais vous pouvez faire avec un porte taraud),
  • 4 vis M3x10 ou M3x12 selon le ventilateur choisi,
  • un bout de papier verre grain moyen à fin (>120),
  • deux pointes de diamètre 2 à 2,5mm, un bout de contreplaqué en guise de martyr,
  • un fer à souder avec un peu de brasure, une éponge humide, etc,
  • un aspirateur à proximité.

 Allons-y, en images et en instructions :

Voilà les deux acteurs principaux, un kit de prototypage mezzanine RPI 023B+ et un dissipateur de chipset de carte mère PC démonté (et dépoussiéré à l'air comprimé, il a l'air tout neuf :-). Le ventilateur a les dimensions nécessaires de 40x40 et 10mm de hauteur. Il n'en faut pas plus mais pas moins. La carte de prototypage fait elle 56x65mm.

Le kit de prototypage contient un circuit imprimé de 56x65mm, 4 entretoises mâle/femelle M2.5 de 11mm de hauteur, 4 vis M2.5 de 6mm et 4 écrous, et un connecteur 40 points avec des pattes de 10mm de long. Le connecteur est en finition étain pur et possède une résistance de contact de 20mOHMS. Pourquoi 10mm : une fois soudé sur un circuit imprimé de 1,6mm d'épaisseur, il restera 8,4mm de hauteur ce qui correspond à la dimension standard des broches mâles de votre Raspberry pi B+, 2 ou 3. Nous verrons plus loin le détail de ces hauteurs. Enfin, cette carte dispose d'une empreinte dédoublée pour le connecteur 40 points, ainsi que 6 perçages au diamètre de 2,5mm, permettant de monter une carte au format pi zéro.

Le ventilateur, démonté, révèle sa vrai nature. Il s'agit en fait d'un ventilateur de 12V continus (DC pour Direct Current) avec un courant absorbé maximum de 160mA. C'est donc un ventilateur pouvant absorber jusqu'à près de 2 watts. Humm, je me souviens de cette machine. Elle produisait un petit bruit strident. Qu'en est il à 5V, est-ce que le ventilateur fonctionne à un peu plus de 40% de sa tension nominale ?

Sous 5V, le ventilateur démarre mollement, dans un silence quasi parfait. Un très léger bruit trahit un pallier qui a vécu. Côté consommation, c'est bon pour les oreilles mais aussi pour la planète, environ 120mW absorbé, un tout petit dixième de la puissance nominale. Malgré cela, ce ventilateur distribue un flux d'air intéressant.

Il est temps de faire des copeaux et de la poussière. Avec le foret métal de 2,5mm, percer 5 trous comme indiqué sur la photo ci-dessus. Il faut y aller doucement et rester le plus vertical possible. N'hésitez pas à vous faire aider. Le trou central est un avant-trou. Il faudra le repercer au diamètre du foret pilote de votre scie cloche. Dans le cas du kit Bosch, j'ai mesuré un foret pilote à 4,62mm. Je percerai donc à 4,5mm, je n'ai pas encore toute la panoplie des forets au 10eme de millimètre.

Le kit Bosch, le voici. Il se trouve facilement sur internet à des prix très raisonnable. Ne comptez pas tout découper avec, l'acier ou même l'aluminium est proscrit. Par contre, vous avez une cloche de 68mm pour percer un boîtier à encastrer dans du placo. Dans notre cas c'est la cloche de 38mm qui nous intéresse.

Voilà la carte avec le trou central repercé à 4,5mm avec un foret métal de qualité. Le foret pilote de la scie cloche est de piètre qualité. Il ne faut pas trop compter dessus pour creuser proprement un matériau comme la fibre de verre (FR4 dans le jargon) dont est constitué le circuit imprimé. Nous voilà prêt à passer à l'étape la plus délicate, le perçage du gros trou.

Je vous conseille vivement l'utilisation d'un martyr, un petit bout de contreplaqué sur lequel vous allez maintenir la carte à l'aide de deux pointes de 2,5mm de diamètre. Il est hors de question de maintenir d'une main le circuit imprimé et de l'autre la perceuse, c'est l'accident assuré. Vous pouvez vous faire assister par un tiers pour maintenir le bout de bois, afin de disposer de vos deux mains pour maintenir votre perceuse. 

Un dernier passage au foret de 4.5mm (dans mon cas) pour percer bien verticalement le martyr, ce qui évitera de produire des copeaux avec le foret pilote de la scie cloche. Nettoyer la pièce et vous pouvez équiper maintenant votre perceuse de le cloche de 38mm. Si votre perceuse dispose d'un seconde poignée amovible, montez-la. Le couple transmis risque d'être important. Travaillez sur une surface stable et à bonne hauteur. Si nous disposez d'un étau ou d'un établi pliant, vous pouvez tenir le martyr dans les mors, et vous disposerez de vos deux mains.

Lentement, la progression doit se faire sans à coup, avec une production homogène sur tout le pourtour de la cloche d'une sciure blanche grisâtre. C'est le signe que vous progressez bien verticalement. Si la cloche se bloque, essayer de la dégager sans solliciter la puissance de votre perceuse. De plus en plus de perceuses disposent d'un limiteur de couple. Utilisez celui-ci à une valeur intermédiaire, disons 5Nm mais pas plus. Ne désactivez pas celui-ci. Une fois le perçage réalisé, vous pouvez ébavurer le périmètre du trou avec du papier verre. Attention, les bavures de cuivre et d'étain peuvent être agressives sur un premier passage de l'abrasif.

Voilà le circuit dépoussiéré et ébavuré. Il est maintenant temps de tarauder les 4 trous de fixation du ventilateur. Pour cela, j'utilise la perceuse sans vis, en veillant à la verticalité du taraud par rapport au circuit imprimé et le sens de rotation initial, sens horaire. Il est possible de lubrifier très légèrement le taraud car la fibre de verre est abrasive. Pour cela, tremper votre taraud dans de l'alcool à brûler avant chaque filetage. Veuillez à aérer la pièce dans laquelle vous travaillez. L'alcool à brûler est de l'alcool isopropylique dénaturé à l'acétone. Cela sent mauvais et pour ma part me rend vite migraineux :-( C'est aussi un liquide très inflammable, rangez-le quand vous avez fini et notamment du fait que nous allons passer à la soudure.

On commence par le connecteur 40 points. Il doit être implanté comme sur la photo ci-dessus. Si vous disposez d'un stylo à flux, vous pouvez en appliquer sur les pastilles de l'empreinte du connecteur, sur les deux faces. Cela favorisera la remontée de soudure et améliorera la mouillabilité. Le circuit imprimé a une finition de type étain pur afin de respecter la réglementation ROHS.

Vous pouvez économiser votre effort en ne soudant qu'une douzaine de broches  plutôt que les 40. Ici, seules les broches 1,2,4,6,9,10,19,20,29,30,39,40 sont soudées. Le bon maintien du connecteur est assuré avec cette répartition symétrique. Les broches 4 (+5V) et 6 (GND) vont alimenter le ventilateur.

 Il est temps maintenant de préparer les conducteurs du ventilateur. Couper les conducteurs rouge et noir  à 15 ou 20mm du boîtier du ventilateur. Le dernier conducteur Jaune (sortie tachymétrique) est inutile et  sera coupé au plus court. Dénuder les deux conducteurs de leur isolant sur une longueur de 4mm et étamer.

La carte de prototypage dispose d'un connecteur 40 points dédoublé. Il est donc facile de repiquer l'alimentation du ventilateur sur la broche 4 (+5V, conducteur rouge) et sur la broche 6 (GND, conducteur noir). Cette photo met en évidence l'importance de l'ébavurage du perçage de 38mm. Les pastilles et trous métallisés des broches 28, 30, 32, 34 sont mis à vif par la scie cloche de 38mm. Veillez en l'absence de court-circuit.

Après avoir soudé les deux fils du ventilateur, vous pouvez torsader de deux à trois torsades  les deux conducteurs afin de les maintenir ensemble et qu'ils occupent moins de place. Il est temps de procéder à la fixation du ventilateur.

Les vis dont je dispose ont une tête trop grosse par rapport au lamages dans les puits de vis. Il a été nécessaire, pour ma part, d'agrandir les quatre lamages des trois de fixation avec une mèche de 6mm afin de permettre aux têtes de vis empreintes Pozidriv de passer. Les têtes enterrées sont importantes si vous souhaitez un jour ou l'autre ajouter une carte d'extension au dessus du ventilateur.

Mais cet effort est récompensé. Le bout de la vis M3x10 affleure mais ne dépasse pas. Il n'y a pas besoin d'écrou pour maintenir le ventilateur. C'est encore une caractéristique importante notamment si vous souhaitez équiper le processeur d'un dissipateur. Le bout de la vis situé à proximité des conducteurs est au-dessus du processeur. 

La carte est presque terminée, il ne me reste qu'a fixer les 4 entretoises livrées dans le kit sur le circuit imprimé. Pour ma part, je vais utiliser ce dissipateur actif dans mon boîtier Pi-TopCeed. J'ai donc opté pour un montage des 4 entretoises avec la partie mâle côté dissipateur. En effet, la fixation par aimant de la carte Raspberry dans le TopCeed laisse dépasser une protubérance en plastique (clip en dent de sapin) au-dessus du trou de fixation. Le perçage fileté de l'entretoise vient centrer le dissipateur. Pour le maintient mécanique, c'est le connecteur 40 points qui fait le job. C'est la meilleure configuration dans mon cas.

Vue de dessous. Attention, hauteur entre carte est de 11mm ce qui est incompatible avec un dissipateur de 10mm plus la hauteur du processeur. Il sera nécessaire de prévoir un dissipateur plus petit (6mm).

On met ça en route :

Pour les essais, j'ai repris le protocole de Ben Bailleul dans l'article en page 18 de L'officiel volume 8, le calcul de nombres premiers sur 4 threads, sans l'huile ;-) Ceci dit, je pense que je parviendrai au silence total si le palier de mon ventilateur en avait un peu. Bon bref, en ligne de commande ça donne :

time sysbench --num-threads=4 --test=cpu-max-prime=200000 run && /opt/vc/bin/vcgencmd measure_temp

Avec 200.000 nombres premiers calculés, nous voilà partis pour 40 minutes de calcul frénétique, qui bloque à 100% la charge processeur. La température ambiante du garage est de 21°C (un 15 octobre, il est dingue, ce climat !). Pour quel résultat ?

Sans dissipateur monté sur le processeur, sa température plafonne à l'issue du test à 69°C. C'est bien, et beaucoup plus acceptable que la configuration simple, sans dissipateur qui grimpe à plus de 80°C et affiche une alerte visuelle sous la forme d'un thermomètre à alcool clignotant en haut à droite de votre session graphique.

Avec dissipateur de 10mm de haut monté sur le processeur, la température mesurée du processeur plafonne à l'issue du test à 59°C. C'est mieux. Dix degrés de gagnés.

 Et si nous rajoutions une carte :

Bon, le but est avant tout pédagogique. Et la carte bien évidemment de mon cru. Le ventilateur est recouvert sur quasiment la moitié de sa surface.

Malgré cela, l'ensemble respire encore bien, avec une température du processeur qui remonte de trois degrés à 62°C dans les mêmes conditions de test.

Cette configuration convient bien à mon Pi-TopCeed que je vais conserver. Attention néanmoins, les deux conducteurs au +5V (broches 2 et 4) sont maigres, et les pertes cuivres assez importantes dans cette configuration. A pleine charge processeur et au démarrage de la carte NadHAT (lors du burst d'émission), un petit éclair graphique apparaît en haut à droite de l'écran graphique, signe d'une chute de tension importante. L'ensemble est un peu proéminent, mais du coup facilite l'accès à la carte SIM.

 Album photos (supplément) :

 

Bon bricolage, et attention à vos doigts.

Frédéric Pierson