Czy komputer zużywa więcej prądu podczas ładowania urządzeń USB?

Zawsze coś się zastanawiałem. Jeśli ciągle podłączam do komputera telefony komórkowe, dyski twarde itp. Za pośrednictwem portu USB, czy zużyje to więcej na rachunku za prąd? A może porty USB zużywają prąd, po prostu i tak są włączone, a więc nie wpływają na zużycie energii?

Krótka odpowiedź:

Czy komputer zużywa więcej prądu podczas ładowania urządzeń USB?

Zasadniczo tak , ale niekoniecznie tak, jak można się spodziewać; nie będzie to wolna energia , ale można ją uzyskać bardziej efektywnie . To zależy od krzywej wydajności danego zasilacza oraz od punktu, w którym go używasz (a oprogramowanie ma wpływ na zużycie energii ):

• Jeśli zasilacz komputera jest niedociążony (np. W stanie bezczynności), zwiększenie obciążenia nieznacznie zwiększy wydajność energetyczną całego systemu.
• Jeśli zasilacz komputera jest prawidłowo załadowany, będzie on bliski swojej szczytowej wydajności i jest ogólnie znacznie lepszy niż ładowarka ścienna USB.
• Jeśli zasilacz komputera jest już przeciążony (co nigdy nie powinno się zdarzyć), masz więcej palących problemów niż wydajność zasilania USB.

Długa odpowiedź:

Port USB może maksima wyjściowe 500mA ( USB1&2) i 950mA ( USB3) przy 5V co daje maksymalną wartość 2.5W ( USB1&2) i 4.75W ( USB3).

Porty USB nie zużywają energię przez siebie . Bez niczego podłączonego są to tylko obwody otwarte.

Teraz, jeśli pobierzesz 1A ( 5W ) z portu USB3, zwykle zwiększy to globalne zużycie energii o ~ 6W (w zależności od wydajności zasilacza), co stanowiłoby wzrost o 2% do 5% zużycia energii przez komputer.

Ale w niektórych przypadkach może być inaczej.

Jeśli spojrzysz na krzywą wydajności zasilacza (od AnandTech ):

Przekonasz się, że wydajność nie jest stałą wartością, zmienia się bardzo w zależności od obciążenia przyłożonego do zasilacza. Na tym zasilaczu 900 W zobaczysz, że przy niskiej mocy ( 50 W do 200 W ) krzywa jest tak stroma, że ​​wzrost obciążenia pociągnie za sobą znaczny wzrost wydajności.

Jeżeli wzrost wydajności jest na tyle wysoka, oznaczałoby to, że w niektórych przypadkach komputer może nie trzeba faktycznie czerpać dodatkowy 5W z gniazdka , gdy jesteś rysunek dodatkowy 5W z portu USB.

Weźmy przykład komputera pobierającego 200 W na zasilaczu o rzeczywistej wydajności 80% przy 200 W :

Computer power consumption : 200W
USB device power consumption : 5W
PSU efficiency at 200W  : 80.0%
Wall power consumption without USB : 200W / 80,0% = 250.00W

Teraz, w zależności od krzywej wydajności zasilacza od 200 W do 205 W , względne zużycie energii przez urządzenie USB może być zupełnie inne:

<Case 1>
PSU efficiency at 205W  : 80.0%
Wall power consumption with USB : 205W / 80.0% = 256,25W
Wall power consumption of the USB device : 6.25W

Jest to zwykle uproszczony przypadek, w którym wydajność jest taka sama, stąd zużycie energii przez urządzenie USB jest równoważne5W / 80.0% = 6.25W

<Case 2>
PSU efficiency at 205W  : 80,5%
Wall power consumption with USB : 205W / 80,5% = 254,66W
Wall power consumption of the USB device : 4.66W

W takim przypadku wydajność zasilacza wzrasta między 200 W a 205 W , dlatego nie można wywnioskować względnego zużycia energii przez urządzenie USB bez uwzględnienia zużycia energii przez cały komputer, a względny wzrost zobaczysz w gnieździe ściennym może w rzeczywistości być niższy niż 5W .

Takie zachowanie występuje tylko dlatego, że w takim przypadku zasilacz jest niedociążony, więc nie jest to zwykły przypadek, ale nadal jest praktyczną możliwością.

<Case 3>
PSU efficiency at 205W : 82%
Wall power consumption with USB : 205W / 82% = 250,00W
Wall power consumption of the USB device : 0W

W takim przypadku zasilacz pobiera taką samą moc z gniazda ściennego, niezależnie od otrzymanego obciążenia. Jest to zachowanie regulatora Zenera, w którym cała niepotrzebna moc jest rozpraszana na ciepło. Jest to zachowanie, które można zaobserwować w pewnego rodzaju zasilaczu niskiej klasy przy bardzo małym obciążeniu.

<Case 4>
PSU efficiency at 205W : 84%
Wall power consumption with USB : 205W / 84% = 244,00W
Wall power consumption of the USB device : -6W

Ten ostatni przypadek jest czysto hipotetycznym przypadkiem, w którym zasilacz faktycznie zużywałby mniej energii przy większym obciążeniu. Jak powiedział @Markck Thomas , nie jest to coś, co można zaobserwować z praktycznego zasilacza, ale wciąż jest to teoretycznie możliwe i dowodzi, że instynktowna reguła TANSTAAFL nie zawsze może być stosowana tak łatwo.

Wniosek :

Jeśli chcesz naładować wiele urządzeń 5 V, lepiej zrobić to z już działającego komputera niż z wielu ładowarek ściennych. Nie będzie darmowy, ale będzie bardziej wydajny.

Pamiętaj również, że możesz potrzebować portów USB z 1Afunkcją (np. USB3), Aby uzyskać tę samą prędkość ładowania.

Obowiązuje tu również TANSTAAFL .

Nie dostajesz mocy za nic. W przeciwnym razie moglibyśmy użyć portów USB do zasilania innego komputera, a drugiego komputera do zasilania pierwszego. To fajny pomysł, ale nie działa.

Energia do ładowania jest jednak niewielka. USB1 lub 2 używają od 100 do 500 mAmp przy 5 woltach. Jest to maksymalnie 2½ wata. W porównaniu do normalnego poboru mocy w stanie bezczynności komputera, który jest raczej niewielki. (Normalnie: 50 watów dla komputerów biurowych i 150 watów bezczynności dla wysokiej klasy komputerów. I mniej więcej trzykrotnie więcej w grach, kompilacjach itp.).

Tak. To podstawowa zasada fizyki; jeśli coś odbiera energię od komputera, komputer musi skądś ją pobrać. Porty USB nie zużywają energii tylko po włączeniu *, podobnie jak gniazdko nie zużywa energii po włączeniu przełącznika bez niczego podłączonego.

* W porządku, monitorowanie kontrolera USB pobiera minimalną ilość energii, aby sprawdzić, czy coś jest podłączone, ale to niewielka ilość energii.

Tak, zużywasz więcej energii elektrycznej, ale nie w ilościach, które będą miały ogromny wpływ na rachunek na koniec miesiąca.

Krótka odpowiedź:

TAK; będziesz zawsze płacić za moc USB z przynajmniej znacznie większą moc od ściany . Jest to nie tylko wymagane przez prawa termodynamiki, ale także nieodłącznie związane ze sposobem działania zasilaczy.

Dłuższa odpowiedź:

Cały system komputera, jego wewnętrzny zasilacz, obwody operacyjne i obwody portu USB zajmiemy jako jedną wielką czarną skrzynkę zwaną Dostawą. Na potrzeby tej ilustracji cały komputer to jedna ponadwymiarowa ładowarka USB z dwoma wyjściami: moc operacyjna komputera, którą nazwiemy Pc , i moc wyjściowa USB, którą nazwiemy Pu .

Konwersja mocy z jednej postaci (napięcie, prąd, częstotliwość) na drugą i przewodzenie energii z jednej części obwodu do drugiej to wszystkie procesy fizyczne, które nie są doskonałe. Nawet w idealnym świecie z nadprzewodnikami i jeszcze nieopracowanymi komponentami obwód nie może być lepszy niż idealny. (Znaczenie tej subtelnej wiadomości okaże się kluczem do tej odpowiedzi). Jeśli chcesz 1 W poza obwodem, musisz włożyć co najmniej 1 W, a we wszystkich praktycznych przypadkach nieco więcej niż 1 W. Że nieco więcej jest moc utracone w konwersji i nazywa strata . Nazwamy moc strat Pli jest to bezpośrednio związane z ilością energii dostarczonej przez zasilacz. Utrata jest prawie zawsze widoczna jako ciepło i dlatego obwody elektroniczne o dużym poziomie mocy muszą być wentylowane.

Istnieje pewna funkcja matematyczna (równanie), która opisuje, w jaki sposób strata zmienia się w zależności od mocy wyjściowej. Ta funkcja będzie obejmować kwadrat napięcia wyjściowego lub prądu, w którym następuje utrata mocy w rezystancji, częstotliwości pomnożonej przez napięcie wyjściowe lub prąd, w którym następuje utrata mocy podczas przełączania. Ale nie musimy się nad tym rozwodzić, możemy zawrzeć wszystkie nieistotne szczegóły w jednym symbolu, który nazwiemy f (Po) , gdzie Po jest całkowitą mocą wyjściową i jest używane do powiązania mocy wyjściowej ze stratą przez równanie Pl = f (Pc + Pu) .

Zasilacz to obwód, który wymaga zasilania do działania, nawet jeśli w ogóle nie dostarcza mocy wyjściowej. Inżynierowie elektronicy nazywają to mocą spoczynkową , a my będziemy ją nazywać Pq . Moc spoczynkowa jest stała i absolutnie nie zależy od tego, jak ciężko pracuje zasilacz, aby dostarczyć moc wyjściową. W tym przykładzie, w którym komputer wykonuje inne funkcje oprócz zasilania ładowarki USB, uwzględniamy moc operacyjną innych funkcji komputera w Pq .

Cała ta moc pochodzi z gniazdka ściennego i nazwiemy moc wejściową Pw ( Pi wygląda myląco jak Pl , więc przełączyłem się na Pw dla mocy ściennej).

Teraz jesteśmy gotowi połączyć powyższe i uzyskać opis, w jaki sposób te wkłady mocy są powiązane. Po pierwsze wiemy, że każdy mikrowat mocy wyjściowej lub straty pochodzi ze ściany. Więc:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

I wiemy, że Pl = f (Pc + Pu) , więc:

Pw = Pq + f (Pc + Pu) + Pc + Pu

Teraz możemy przetestować hipotezę, że pobór mocy z wyjścia USB zwiększa moc ścienną o mniej niż moc USB . Możemy sformalizować tę hipotezę, zobaczyć, dokąd ona prowadzi i zobaczyć, czy przewiduje coś absurdalnego (w którym to przypadku hipoteza jest fałszywa), czy też przewiduje coś realistycznego (w którym to przypadku hipotezy pozostają wiarygodne).

Możemy najpierw napisać hipotezę:

(Zasilanie ścienne z obciążeniem USB) - (Zasilanie ścienne bez obciążenia USB) <(Zasilanie USB)

i matematycznie jako:

[Pq + f (Pc + Pu) + Pc + Pu] - [Pq + f (Pc) + Pc] <Pu

Teraz możemy to uprościć, eliminując te same warunki po obu stronach znaku minus i usuwając nawiasy:

f (Pc + Pu) + Pu - f (Pc) <Pu

następnie odejmując Pu z obu stron nierówności (<znak):

f (Pc + Pu) - f (Pc) <0

Oto nasza absurdalność. Ten wynik oznacza w prostym języku angielskim:

Dodatkowa strata związana z pobieraniem większej ilości energii z zasilacza jest ujemna

Oznacza to ujemne rezystory, ujemne napięcia spadające na złączach półprzewodnikowych lub moc magicznie pojawiającą się z rdzeni cewek indukcyjnych. Wszystko to jest nonsensem, bajkami, pobożnym życzeniem maszyn perpetuum mobile i jest absolutnie niemożliwe.

Wniosek:

Z fizycznego punktu widzenia, teoretycznie lub w inny sposób, nie jest możliwe uzyskanie zasilania z portu USB komputera, przy czym mniej niż tyle samo dodatkowej mocy pochodzi z gniazdka ściennego.

Czego brakuje @zakinster?

Z największym szacunkiem dla @zakinster źle zrozumiał naturę wydajności. Wydajność jest konsekwencją związku między mocą wejściową, stratą i mocą wyjściową, a nie wielkością fizyczną, dla której konsekwencją jest moc wejściowa, strata i moc wyjściowa.

Aby to zilustrować, przyjmijmy przypadek zasilacza o maksymalnej mocy wyjściowej 900 W , straty podane przez Pl = APo² + BPo, gdzie A = 10 ^ -4 i B = 10 ^ -2, a Pq = 30W. Modelowanie wydajności ( Po / Pi ) takiego zasilacza w programie Excel i wykresowanie go w skali podobnej do krzywej Anand Tech daje:

Ten model ma bardzo stromą krzywą początkową, podobnie jak podaż Anand Tech, ale jest modelowany całkowicie zgodnie z powyższą analizą, co czyni absurdalną swobodę zasilania.

Weźmy ten model i spójrzmy na przykłady podane przez @zakinster w Przypadku 2 i Przypadku 3. Jeśli zmienimy Pq na 50 W i sprawimy , że zasilanie będzie idealne , przy zerowej stracie, wówczas możemy uzyskać wydajność 80% przy obciążeniu 200 W. Ale nawet w tej idealnej sytuacji najlepszym, co możemy uzyskać przy 205 W, jest wydajność 80,39%. Osiągnięcie 80,5% @zakinster sugeruje, że praktyczna możliwość wymaga funkcji ujemnej straty, co jest niemożliwe. Osiągnięcie wydajności 82% jest jeszcze bardziej niemożliwe.

Podsumowanie znajduje się w Krótkiej odpowiedzi powyżej.

Możliwe, że komputer może pobierać taką samą moc podczas ładowania urządzeń, jak w przypadku braku ładowania urządzeń (wszystkie pozostałe są równe, jak obciążenie procesora). Prawa fizyki, podobnie jak zasada zachowania energii, nie dają żadnej gwarancji, że tak się nie stanie.

Aby tak się stało, komputer musiałby marnować energię, gdy urządzenia nie są podłączone, tak że gdy są podłączone, wówczas zmarnowana energia jest następnie przekierowywana do nich, a tym samym wykorzystywana.

Projektanci elektroniczni musieliby zrobić wszystko, aby stworzyć tak marnotrawny projekt, ale jest to możliwe. Obwód, który pobiera dokładnie taką samą ilość energii, niezależnie od tego, czy ładuje jedną czy więcej baterii, jest trudniejszy do zaprojektowania niż ten, który pobiera energię proporcjonalnie do pracy ładowania, a wynikiem jest marnotrawstwo urządzenia, którego nikt nie chce.

W rzeczywistości projektanci sięgają po gotowe regulatory napięcia do zasilania komponentów płyty głównej. Regulatory napięcia mają właściwość polegającą na tym, że im mniej obciążone, tym mniej ogólnie pobierają moc i tym mniej tracą wewnętrznie. (Regulatory liniowe marnują więcej, przełączają mniej, ale oba zużywają mniej, gdy są mniej obciążone.)

Wszystko w wyłączonym systemie przyczynia się do oszczędności energii netto: wyłączony port Ethernet, wyłączony nadajnik Wi-Fi, wyłączony dysk, uśpiony procesor lub port USB nie dostarcza prądu. Oszczędności są dwojakie: po pierwsze, sam podsystem nie zużywa energii, a po drugie, mniej energii marnuje się w górę rzeki w wyniku rozpraszania ciepła w łańcuchu dostaw energii.

Tak. To podstawowa fizyka (termodynamika). W ten sam sposób ładowanie telefonu w samochodzie zużywa nieco więcej benzyny. Innym przykładem są zegarki kinetyczne: musisz zjeść trochę więcej jedzenia, ponieważ nosisz zegarek kinetyczny! Jest to prawdopodobnie niemożliwe do zmierzenia, ale wymaga tego prawo zachowania energii. Energii nie można wytworzyć ani zniszczyć.