In che modo i dispositivi / elettrodomestici assorbono più corrente quando necessario?

Supponiamo che io abbia un computer desktop e decida di fare qualcosa che richiede più potenza di elaborazione. In questo caso il mio computer assorbirà più corrente per aumentare la potenza. Come viene eseguito questo aumento della corrente? Il mio computer apre più circuiti paralleli in modo che la resistenza totale diminuisca? o hanno un potenziometro elettronico o qualcos'altro? La tecnica utilizzata in un computer desktop è la stessa di se stessi cambiando la temperatura del forno?

Qualsiasi aiuto è molto apprezzato.

Decido di fare qualcosa che richiede più potenza di elaborazione. In questo caso il mio computer assorbirà più corrente per aumentare la potenza.

Al contrario: il computer farà più cose e di conseguenza consumerà più energia.

Il mio computer apre più circuiti paralleli in modo che la resistenza totale diminuisca?

Questo è approssimativamente vero. Ad eccezione del fatto che i computer non funzionano realmente su un flusso di corrente continuo , funzionano a raffiche guidate dal loro orologio interno; ogni azione comporta il prelievo di corrente per accendere un transistor o l'affondamento di corrente per spegnerlo nuovamente. Volte un miliardo di transistor, un miliardo di volte al secondo. Più calcoli coinvolgono più transistor.

Ad un livello elevato, sì, hai ragione che il computer apre più transistor o almeno commuta più transistor quando consuma più corrente. Ad esempio, se si dispone di un moltiplicatore hardware e generalmente non lo si utilizza, i transistor nel moltiplicatore non si accendono e pertanto non assorbono molta corrente. Se il codice ora richiede una moltiplicazione, i transistor in esso contenuti iniziano a cambiare e ciò abbasserà la resistenza tra VDD e massa. Questo attirerà più corrente. L'assorbimento di corrente abbasserà la tensione VDD. Ora il regolatore di tensione di commutazione rileverà questa caduta di tensione e si avvierà con un ciclo di lavoro più elevato per consentire un'elevata capacità di corrente e circa una tensione costante.

A un livello elevato di alto livello, i circuiti richiedono più corrente abbassando la loro resistenza poiché la maggior parte dei circuiti funziona con una sorgente di tensione costante.

I computer moderni utilizzano porte logiche progettate per utilizzare pochissima energia quando sono in uno stato stabile, ma che richiedono una scarica di energia per passare da uno stato a un altro.

Se il computer è inattivo, il processore sarà in uno stato di sospensione per la maggior parte del tempo. La maggior parte dei circuiti non farà nulla e quindi consumerà poca energia. Lo stesso vale per altri componenti, come la GPU della scheda grafica.

Se poi gli dai qualcosa da fare, improvvisamente sta eseguendo più lavoro. Le porte si accendono e si spengono più spesso e quindi richiedono più energia.

Inoltre, molti computer, in particolare i laptop, sono progettati per spegnere intere sezioni del computer se non vengono utilizzati. Ad esempio, la webcam di un laptop verrà spenta fino all'apertura di un'applicazione che la utilizza.

Esistono diversi meccanismi per il consumo di energia a livello di chip.

Quando i circuiti cambiano, ci sono condensatori parassiti interni in tutti i transistor e le interconnessioni (internamente sui chip ed esternamente). Questi condensatori devono essere caricati e scaricati quando i nodi del circuito sono commutati da off a on (o da on a off). I condensatori sono minuscoli, ma quando ne hai miliardi che cambiano miliardi di volte al secondo si sommano. (questa potenza viene effettivamente dissipata dalla resistenza dell'elemento circuitale, inclusa la resistenza parassita nei condensatori parassiti)

Tutti gli elementi del circuito hanno anche resistenza, quindi il flusso di corrente ovunque nei circuiti crea calore e consuma energia. Quando i nodi del circuito cambiano, i condensatori parassiti sui dispositivi lato carico devono essere cambiati o scaricati e ciò richiede un flusso di corrente che, a sua volta, crea calore e consuma energia.

Il consumo di energia associato a questi due effetti varia in base al numero di operazioni di commutazione del nodo interno, il che significa che il consumo di energia varia in base all'attività (e alla velocità di clock) del processore e di altri elementi.

Anche i transistor e altri componenti all'interno dei circuiti integrati presentano una corrente di dispersione. Ciò crea un consumo di energia di base (statico) che si verifica ancora quando il processore è inattivo. Molti moderni sistemi a bassa potenza disattivano l'alimentazione di interi sottosistemi sul processore e altri chip durante lo stato di sospensione o inattività per ridurre al minimo questo consumo di energia statica.

Esistono altri meccanismi di consumo energetico nei computer (alimentazione a riposo, ecc.), Ma questi dovrebbero aiutarti a capire perché il consumo di energia varia e perché c'è ancora un certo consumo di energia quando non viene eseguito alcun lavoro.

I diversi circuiti integrati nel computer avranno ciascuno un diverso assorbimento di corrente. Ecco alcuni dati di Atmega328P, un semplice microcontrollore a 8 bit a 16 MHz utilizzato in Arduino Uno e altre schede simili.

I diversi circuiti integrati nel computer avranno ciascuno un diverso assorbimento di corrente. Ecco alcuni dati di Atmega328P, un semplice microcontrollore a 8 bit a 16 MHz utilizzato in Arduino Uno e altre schede simili.

Esempio: calcolare il consumo di corrente previsto in modalità di inattività con TIMER1, ADC e SPI abilitati a VCC = 2,0 V e F = 1 MHz. Dalla tabella Consumo di corrente aggiuntivo (percentuale) in modalità attiva e inattiva nella sezione precedente, terza colonna, vediamo che dobbiamo aggiungere il 14,5% per il TIMER1, il 22,1% per l'ADC e il 15,7% per il modulo SPI. Leggendo dalla figura Corrente di alimentazione inattiva rispetto a bassa frequenza (0,1-1,0 MHz), troviamo che il consumo di corrente inattiva è ~ 0,045 mA a VCC = 2,0 V e F = 1 MHz. Il consumo di corrente totale in modalità inattiva con TIMER1, ADC e SPI abilitati, fornisce: ICCtotale ≃ 0,045 mA⋅ (1 + 0,145 + 0,221 + 0,157) ≃ 0,069 mA

(Aiuta ad aprire il foglio dati per guardare le varie tabelle).

Per un computer, che funziona a 3,2 GHz (200 volte più veloce) e forse a 1,8 V di tensione logica core (e 4 o 8 core per multithreading), tensione IO 3,3 V, comunicazione con chip e chip di memoria e video e controller del disco rigido e USB controller e controller ethernet o wireless, i calcoli sarebbero simili, con ogni chip che aggiunge il proprio importo al totale. Puoi capire perché il processore del computer ha un grande dissipatore di calore in cima con una ventola di raffreddamento che soffia aria su di esso.

Quello che sta accadendo è che il computer non aumenta l'apporto di energia, piuttosto che consuma più energia disponibile. Ogni parte del tuo computer ha piccoli transistor che agiscono come interruttori. Per tenerli aperti o cambiare il loro stato è necessario un po 'di potere.

Quando si aggiungono componenti migliori o più complessi, l'energia necessaria per commutare questi transistor cresce perché ce ne sono di più. Naturalmente ci sono più fattori a questo proposito, come le dimensioni del transistor, le perdite, ecc. Ma ad un livello molto elementare questo è ciò che accade.

C'è anche un limite a quanta energia può essere erogata normalmente determinata dal tuo alimentatore. Per analogia, immagina questo: quando vai in bicicletta devi inserire una certa quantità di energia. Ora ottieni una nuova bici con ruote migliori, ma questo richiede di aggiungere più forza. Non sono le ruote a "chiedere" più potenza. È solo che è necessario per muoversi e continuare a farlo. Naturalmente c'è anche un limite alla quantità di energia che puoi inserire prima che diventi troppo. Se continui ad andare, soffri di dolori muscolari.

In un computer se viene assorbita troppa potenza diventa instabile, così come non sarai in grado di tenere il passo con una bici che costa troppa energia per andare in giro. Quindi, in breve, non è il computer a decidere quanta energia dovrebbe assorbire, sono i componenti che estraggono questa alimentazione dall'alimentatore e forniscono tutto ciò che può.

Disegniamo un'immagine (uno schema elettrico, uno schema) per illustrare

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

All'aumentare della corrente di carico, la tensione della linea di alimentazione cambia, da 99,999 volt a 99,998 volt.

Notare che la resistenza molto bassa della linea di alimentazione è la ragione della tensione della linea di alimentazione quasi costante.