Chaleur et électroniqueCapsule Technique

Rédigé par

CAPSULE TECHNIQUE
CHALEUR ET ELECTRONIQUE



C’est bien connu, une bonne ventilation est nécessaire à nos différentes installations vidéoludiques pour éviter qu’elles ne chauffent (sauf pour les plus rétros, qui chauffaient peu).
Mais, au final, cette chaleur, comment et pourquoi est-elle générée, et est-ce vraiment si important de l’évacuer ?

U = R.I ET EFFET JOULE

Un peu de physique et de maths suffisamment simples pour qu’un niveau collège suffise. Les grandeurs électriques sont des noms connus : voltage, puissance, ampérage… Pour comprendre ce qui se cache derrière ces noms, le plus simple est d’utiliser l’analogie bien connue des électrotechniciens/electroniciens : la cascade.

U=R.I indique que la tension (en volts) est égale à la résistance (en ohms) multipliée par l’intensité (en ampères). La tension désigne la différence de potentiel entre 2 points. Pour une cascade, cela correspondrait à sa hauteur : plus cette valeur est haute, plus le courant est susceptible de passer.

La résistance désigne la faculté des matériaux traversés par les électrons à s’opposer à leur passage. Plus la résistance est grande, moins d’électrons passent. Pour une cascade, cela équivaut à des obstacles qui viennent empêcher l’eau de couler ou qui réduisent son débit.

Tordre cette formule pour en faire ce qu’on veut

Et, enfin, l’ampérage, qui correspond à la quantité d’électrons qui passent, ce qui pour une cascade correspondrait au débit.

Ce n’est, sur le principe, pas plus compliqué que ça. En triturant un peu l’équation, il est facile de se retrouver avec un moyen de calculer la résistance : R = U/I, et un autre pour calculer l’intensité : I = U/R. Et, pour ceux qui ont envie de calculer combien consomment leurs objets du quotidien, la puissance (en Watt) = U*I.

Donc, une facture électrique est en KWh (ou en KVA, ce qui est sensiblement similaire au facteur de puissance près, mais demanderait un article entier d’explications), soit par groupement de 1000W consommés en une heure (KWh). Si vous avez une box branchée sur un transformateur 50V et 2A, il consomme 50*2 = 100W. Au bout de 10h la consommation est de 1KW.

Mais, du coup, pourquoi commencer à parler de tension, d’intensité et de résistance ? Parce que l’effet Joule est une particularité physique qui dissipe une partie de la puissance électrique qui traverse un corps physique. Et, selon le matériaux utilisé, la résistance est plus ou moins grande, avec une génération de chaleur plus ou moins importante, qui ne sera pas abordée ici pour rester abordable.

Cet effet dépend de 3 variables, l’intensité, la résistance et le temps. Plus l’intensité et la résistance sont grandes, plus la chaleur dégagée est grande.

QUE FAIRE DE L’EFFET JOULE ?

Cet effet de dissipation thermique est utilisé partout : lampe à incandescence (oui, c’est bien pour cela qu’elles chauffent), fer-à-repasser, sèche-cheveux, radiateurs électriques, plaques  chauffantes et j’en passe… L’effet Joule est un effet connu qu’il est habituel d’utiliser ou de minimiser dans une certaine mesure.

Les lignes à haute-tension existent d’ailleurs pour limiter la perte par effet joule, elles peuvent monter en France jusqu’à 500 000V. Comme P = U.I, un voltage très grand implique, à puissance équivalente, un ampérage réduit, et donc un effet joule réduit.

Les effets indésirables les plus visibles de l’effet joule apparaissent au niveau de l’électronique. L’électronique, de part sa miniaturisation, est extrêmement sensible à la moindre variation physique, qui modifie la conduction électrique et donc le signal à traiter.

Concrètement, ça veut dire que cela va rajouter du bruit sur le signal à traiter et que certains 1 binaires vont être transformés en 0, l’inverse étant également possible. Un autre effet extrêmement polluant du passage d’un courant est la création d’un champ magnétique. Les processeurs (CPU/GPU) sont tellements petits que le passage d’un 1 binaire sur une piste électronique perturbe les pistes les plus proches.

Revenons à la chaleur. Voici par exemple l’évolution de la résistance en fonction de la température des composants qui servent de sonde thermique :

Evolution de la résistance en fonction de la chaleur

Les 2 composants réagissent différemment, mais ceci est valable (à des degrés divers) pour TOUS les composants électroniques existants. Bien évidement, le monde réel étant une boîte à ennui : quand un composant chauffe, sa résistance à tendance à grimper, donc il émet plus de chaleur et l’intensité baisse.


Arrivent alors 2 solutions : dissiper la chaleur ou augmenter l’intensité. Augmenter l’intensité signifie augmenter l’effet Joule, il faudrait donc encore augmenter l’ampérage jusqu’à ce qu’un des composants surchauffe et que la panne soit là.

La seule solution viable reste donc d’évacuer la chaleur, et pour cela utiliser un caloporteur. Il s’agit souvent d’un gaz ou d’un liquide qui sert à récupérer la chaleur, qui va ensuite évacuer/refroidir facilement.  Le watercooling utilise l’eau comme caloporteur, alors que les mécanismes basés sur des ventilateurs, utilisent l’air.

La suite de l’article va surtout parler du refroidissement par air, car il est plus courant, que ce soit dans toutes les consoles ou dans tout périphérique électronique courant (box, transformateur….). Il est donc primordial et important d’assurer une bonne circulation d’air sur tout appareil qui chauffe, car ses performances et surtout sa précision s’en trouvent affectées.

En été, les consoles/PCs peu ou mal ventilés ont tendances à crasher : l’air chaud s’accumule, augmentant la température moyenne dans le boitier et les erreurs possibles de tout composant.

COMMENT LUTTER CONTRE LA CHALEUR ?

Plein de solutions existent : 

Il est également important de réduire l’ensemble de tâches effectuées par la console / le PC qui ne sont pas nécessaires. En effet, pour réduire la consommation énergétique (et la chaleur générée) un maximum de systèmes sont en veille s’ils ne sont pas utilisés. Donc charger inutilement la machine avec des tâches inutiles (laisser un jeu tourner pendant le visionnage d’une vidéo en 1er plan par exemple), va consommer des ressources pour rien. Des systèmes vont êtres sortis de leurs veille, consommer de l’énergie et chauffer.

Dans l’e-sport, il est intéressant de constater que ça n’est pas la course au graphisme qui prime, mais la course à la vitesse. Et pour cela insister sur le refroidissement, pour ne pas perdre en performance à cause de la chaleur et éviter les plantages. Les options graphiques inutiles sont désactivées, et ce sont souvent d’autres PCs dédiés au stream qui sont utilisés pour des lives ou des retransmissions, rarement les machines des joueurs. Cette recherche de performance et de stabilité est purement logique, et en supprimant tout élément inutile (même graphique), assure de tirer le meilleur de ces machines.

Vous devriez être capables de profiter de vos installations vidéoludiques dans les meilleures conditions en évitant les crashs et autres ralentissements dus à la chaleur, car aucun développeur ou constructeur ne pourra vaincre les lois de la physique, et vous devez donc faire une partie du travail pour que tout continue à marcher correctement.