Prozessor-Lüfter-Anschluss

Der Prozessor-Lüfter ist eigentlich der Prozessor-Kühler, der in der Regel aus Kühlkörper und Lüfter besteht. Während bei den ersten Prozessoren noch Kühlkörper ausreichend waren, ist heute ein Lüfter zwingend notwendig, um die Abwärme des Prozessors weg zu schaffen.
Im Gegensatz zum Kühlkörper benötigt der Lüfter einen Strom- und Steueranschluss. Den Prozessor-Lüfter-Anschluss gibt es in drei Varianten, wobei der 4-Pin-Anschluss gerade aktuell ist. Doch auch der 3-Pin-Anschluss ist nach wie vor im Einsatz. Sie unterscheiden sich in der Art der Steuerung.

2-Pin-Anschluss

Eine einfache Lüfter-Regelung besteht aus zwei Kabeln. Eines für die Masse (0 V) und das andere für die Versorgungsspannung (+ 12 V). Zur Drehzahländerung kann man wahlweise die Versorgungsspannung zwischen 0 und 12 V variieren oder man taktet die Versorgungsspannung Mikrosekundenweise (PWM-Signal). In diesem einfachen Fall fließt die Drehzahl des Lüfters in die Regelung nicht ein.

3-Pin-Anschluss

Der 3-Pin-Anschluss hat jeweils einen Pin für die variable Versorgungsspannung (bis 12 V), Masse (0 V) und das Tachosignal. Die Drehzahl variiert über die Höhe der Versorgungsspannung von 0 bis 12 Volt oder über die Länge der 12-Volt-Impulse (PWM-Signal). Über die dritte Leitung meldet der Lüfter seine momentane Drehzahl zurück (Tachosignal).
Auch hier fließt die Drehzahl nicht in die Regelung ein. Trotzdem gibt es Gründe die Drehzahl doch zu messen und zurück zu liefern. Auf diese Weise lässt sich der Lüfter auf Funktion prüfen und feststellen, ob er seine maximale Drehzahl erreichen kann. Das Tachosignal ist also die Rückinformation ans Motherboard. Damit überwacht das Motherboard die Funktion des Lüfters. Dreht er zu langsam oder gar nicht, dann wird der Prozessor gedrosselt oder notfalls ganz abgeschaltet.
Allerdings gibt es ein Problem mit dem Tachosignal, wenn der Lüfter mit einem PWM-Signal gesteuert wird. Die Drehzahl wird mit einem Hallgeber ermittelt. Der liefert nur dann ein gültiges Signal, wenn eine Spannung anliegt. Im Fall eines PWM-Signals erschwert das die Auswertung. Weil der Hallgeber zumindest kurzzeitig eine Gleichspannung braucht. Deshalb werden gelegentlich längeren Impulsphasen eingestreut, damit die Drehzahl gemessen werden kann.

4-Pin-Anschluss

Weil die Lüfter-Regelung mit 2- und 3-Pins ungenau und komplex ist, hat Intel die PWM-Regelung im Jahr 2004 mit dem LGA775-Prozessor-Sockel eingeführt. Kurze Zeit später ist AMD dieser Entwicklung gefolgt.
Der Drehzahlregler steckt nun im Lüfter selber. Er wird über das PWM-Signal indirekt über die Temperatur des Prozessors informiert. Das bedeutet, das Steuersignal (PWM-Signal) bekommt eine eigene Ader. Das bedeutet auch, Lüfter mit 4-Pin-Anschlüssen sind generell PWM-Lüfter. Hier werden Steuersignal und Versorgungsspannung auf getrennten Leitungen geführt.
Im Steuersignal steckt die Information im Verhältnis der Low- zu High-Zeit des Taktzyklus (Duty Cycle). Der High-Anteil wird in Prozent angegeben. Wenn er 100% beträgt, dann liegt ein Gleichstrom an.
Die Lüfter-Regelung mit 4-Pin-Anschluss ermöglicht eine flexiblere Prozessor- und Systemkühlung. Sie ist etwas komplizierter und setzt durchgängig Lüfter mit eigener Regelelektronik und 4-adrigem Anschluss voraus.

Kompatibilität: 3-Pin- und 4-Pin-Lüfter-Anschluss

Aufgrund der Vorgaben von AMD und Intel muss auf allen Motherboards der CPU-Lüfteranschluss PWM-fähig sein. Ob er auch zusätzlich noch über eine variable Spannung gesteuert werden kann, so dass man auch CPU-Kühler mit 3-poligen Lüftern betreiben kann, hängt vom Motherboard ab.
Einige Motherboards mit PWM-Regelung können auch 3-Pin-Lüfter regeln. Die 3-poligen Stecker passen auf die vierpoligen Pfostenleisten. Vierpolige Stecker passen ebenso auf 3-polige Pfostenleisten. Die Lüfter laufen dann aber mit voller Drehzahl, auch wenn das Motherboard die Versorgungsspannung ändert.

Funktionsweise einer Lüfter-Regelung

Hinweis: Die Lüfter-Regelung ist eine komplexe Angelegenheit. Die hier beschriebene Regelung ist ein Beispiel. Die tatsächliche Regelung kann je nach Prozessor-Hersteller, Computer-Hersteller und Systemlieferant abweichen.

Am Anfang der Prozessor-Kühlung steht das Erfassen der Prozessor-Temperatur. Dazu gibt es verschiedenen Messmethode. Entweder die alte Methode mit einer thermischen Diode (analog) oder direkt über ein Hersteller-spezifisches Verfahren im Prozessor (digital).
Moderne CPUs besitzen integrierte Thermosensoren bzw. Digital Thermal Sensors (DTS). Diese "Thermal Diodes" sitzen im Die an den Stellen, wo sich die Hitze konzentriert.
Vom Prozessor wird der DTS-Wert als Differenzwert zwischen prozessorspezifischer Maximaltemperatur T_j und Prozessorgehäusetemperatur T_Case geliefert. Für die Lüfterregelung hat der Differenzwert den Vorteil, dass bei dessen Berechnung der Grenzwert des Prozessors unbekannt bleiben kann. Dummerweise ist über die Messgenauigkeit des DTS-Werts von Intel- und AMD-Prozessoren nichts bekannt. In der Praxis betrachtet man den DTS-Wert als groben Näherungswert zu T_Case.
Das Motherboard erfasst also die Prozessor-Temperatur T_Case und vergleicht sie mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur T_Control, dem Grenzwert (Maximalwert). Der Grenzwert ist bei jedem Prozessor anders. Bei Mehrkern-Prozessoren erfolgt die Temperaturmessung für jeden Kern separat. Aber, es wird nur die Temperatur des heißesten Kerns zurückgeliefert.
Die Motherboard-Regelung ermittelt aus aktueller Temperatur (T_Case) und Grenzwert (T_Control) die Differenz und moduliert daraus das PWM-Signal. Vom Regelkreis des Motherboards wird ein 25-kHz-Signal mit veränderlichem Tastverhältnis erzeugt. Je weiter die Temperatur des Prozessors vom Grenzwert entfernt ist, desto geringer ist das Tastverhältnis.
Konkret bedeutet das: Liegt die aktuelle Temperatur des Prozessors (T_Case) unterhalb des Grenzwerts (T_Control), dann lässt die Regelung den Lüfter nur langsam oder gar nicht rotieren. Liegt die Temperatur darüber, wird die Drehzahl so lange erhöht, bis sich die beiden Temperaturen angeglichen haben.
Das PWM-Signal wird der Drehzahlregelung im Lüftermotor zugeführt. Dort wird es je nach Ausstattung mit einer eigenen Messung der Umgebungstemperatur T_Ambient bewertet. Bei geringer Temperatur des Prozessors und der Umgebung dreht der Lüfter langsamer, als bei hoher Temperatur.
Das Tachosignal ist die Rückinformation ans Motherboard. Damit überwacht das Motherboard die Funktion des Lüfters. Dreht er zu langsam oder gar nicht, gerät die CPU in Gefahr. Dann senkt sie die Taktfrequenz und Spannung selbständig (Throttling). Somit wird auch die thermische Leistung gesenkt. Als letztes Mittel schaltet sich die CPU einfach ab.

Hinweis zur Prozessor-Temperaturanzeige von Software-Tools

Weil der Prozessor nicht die Temperatur, sondern einen Differenzwert liefert, müssen Tools zur Anzeige der Prozessor-Temperatur die Temperatur aus den MSR-Registern des Prozessors auslesen. Weil nicht alle Prozessoren die Temperatur auf diese Weise verraten, müssen die Tools umfangreiche Listen mit Grenztemperaturen für jede CPU inklusive Revisionen pflegen. Weil diese Listen fehlerhaft oder unvollständig sein können, zeigen unterschiedliche Tools zwangsläufig verschiedene Temperaturen an.