Quando devo notificar o ATC quando perceber que posso ter tráfego conflitante?

De um modo geral, você deve confiar no ATC. Como piloto, você não tem a imagem completa. Só porque duas aeronaves são liberadas para o mesmo nível, não significa que elas cheguem perto.

Quanto ao uso do TCAS ou similar, Este artigo descreve um incidente interessante, em que um piloto decidiu fazer uma curva, com base em sua tela TCAS, o que resultou em uma perda de separação. Se o piloto seguisse as instruções do ATC e não o voltasse, haveria o 15 NM entre as duas aeronaves. Em vez disso, a separação foi reduzida para 2 NM! O problema é que uma tela do TCAS mostra apenas a posição relativa de outro tráfego, o que dificulta a determinação da direção e velocidade desse tráfego. Para isso, apenas uma estação de radar estacionária, como a que o ATC usa, funcionará corretamente. O TCAS NÃO é um radar!

would I have to wait until ADS-B alerted me of a loss of separation between me and the other traffic (say, coming within 3 nm of each other)?

ADS-B não podes avisá-lo sobre uma "perda de separação", apenas um risco de colisão. Seu ADS-B não tem idéia de quais são os mínimos de separação em sua localização atual. Se voar através do oceano sem cobertura de radar, a separação mínima pode ser 60NM. Se voar perto de um aeroporto, dentro do alcance visual da torre, o 1-2NM pode (em alguns casos) ser legal.

Por favor, entenda que ADS-B, TCAS ou tecnologias similares não se destinam a substituir o ATC. Eles funcionam apenas como uma rede de segurança secundária, projetada para entrar em ação quando o ATC falha.

Com isso fora do caminho, se você se encontrar em uma situação em que tem certeza absoluta de que o ATC errou e está em rota de colisão com outra aeronave, é claro que deve reagir. Peça ao ATC para verificar sua liberação. Se você vir a outra aeronave, siga as regras do ar. Mas, para ser franco, seria muito difícil imaginar um cenário em que você notaria um conflito antes do ATC e apresentasse uma solução melhor que o ATC. Não seja o cara que questiona tudo o que é dito com frequência. Se você se sentiu em uma situação insegura, ligue para a torre (ao telefone) após o pouso e ouça o lado deles antes de tirar conclusões.

Eu acho que você encontrará que não há uma resposta correta para isso, e que as respostas serão baseadas principalmente em opiniões. Dito isto, minha opinião é que, se você tiver ADS-B, seja paciente e deixe o ATC fazer o trabalho deles.

Fale eventualmente, é claro. Especialmente se você vir um caminho claro de convergência no seu escopo. O 3nm que você sugeriu parece tão bom quanto qualquer outro para mencioná-lo.

É um pouco diferente se você é VMC. Nesse caso, posso esperar ainda mais e tentar adquirir um visual primeiro. Dessa forma, seu lembrete para eles pode consistir em sua avaliação da necessidade de se desviar ou declarar que você pode manter a separação visual.