Un computer consuma più elettricità durante la ricarica di dispositivi USB?

Qualcosa che mi sono sempre chiesto. Se collego costantemente telefoni, dischi rigidi e simili tramite USB al mio computer, consumerà di più sulla bolletta elettrica? Oppure le porte USB stanno consumando elettricità semplicemente essendo abilitate comunque, senza quindi influire sul consumo di energia?

Risposta breve:

Un computer consuma più elettricità durante la ricarica di dispositivi USB?

Generalmente sì , ma non necessariamente quanto ti aspetteresti; non sarà energia libera , ma potrebbe essere ottenuto in modo più efficiente . Dipende molto dalla particolare curva di efficienza dell'alimentatore e dal punto in cui lo si utilizza (e il consumo di energia è influenzato dal software):

• Se l'alimentazione del computer è sottocarica (ad es. Stato di inattività), l'aggiunta di più carico aumenterà leggermente l'efficienza energetica dell'intero sistema.
• Se l'alimentazione del computer è caricata correttamente, sarà quasi al massimo della sua efficienza con generalmente molto meglio di un caricatore da muro USB.
• Se l'alimentatore del tuo computer è già sovraccarico (cosa che non dovrebbe mai accadere) hai problemi più urgenti dell'efficienza energetica USB.

Risposta lunga:

Una porta USB può massimi di uscita di 500mA ( USB1&2) e 950mA ( USB3) a 5V che dà massimi di 2.5W ( USB1&2) e 4.75W ( USB3).

Le porte USB non consumano energia da sole . Senza niente collegato, sono solo circuiti aperti.

Ora, se si ottiene 1A ( 5W ) da una porta USB3, di solito aumenterà il consumo energetico globale di ~ 6W (a seconda dell'efficienza dell'alimentatore), che sarebbe un aumento dal 2% al 5% del consumo energetico del computer.

Ma, in alcuni casi, potrebbe essere diverso.

Se si dà un'occhiata ad alcuni PSU curva di efficienza (da AnandTech ):

Vedrai che l'efficienza non è un valore costante, varia molto a seconda del carico applicato all'alimentatore. Vedrai su quel PSU da 900 W che a bassa potenza (da 50 W a 200 W ), la curva è così ripida che un aumento del carico comporterà un sostanziale aumento dell'efficienza.

Se l'aumento dell'efficienza è abbastanza alto, ciò significherebbe che in alcuni casi, il tuo computer potrebbe non aver bisogno di effettivamente assorbire 5 W in più dalla presa a muro quando stai estraendo 5 W in più da una porta USB.

Facciamo un esempio di un computer che assorbe 200 W su un alimentatore con un'efficienza effettiva dell'80% a 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

Ora, a seconda della curva di efficienza dell'alimentatore tra 200 W e 205 W , il consumo energetico relativo del dispositivo USB potrebbe essere completamente diverso:

<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

Questo è il solito caso semplificato , in cui l'efficienza è la stessa, quindi il consumo di energia del dispositivo USB è equivalente5W / 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

In questo caso, l'efficienza dell'alimentatore sta aumentando tra 200 W e 205 W , quindi non è possibile dedurre il consumo energetico relativo del dispositivo USB senza tenere conto del consumo energetico dell'intero computer e vedrai l'aumento relativo sulla presa a muro può effettivamente essere inferiore a 5W .

Questo comportamento si verifica solo perché, in tal caso, l'alimentatore è sottocarico, quindi non è il solito caso, ma è comunque una possibilità pratica.

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

In questo caso, l'alimentatore consuma la stessa potenza dalla presa a muro, qualunque sia il carico che riceve. Questo è il comportamento di un regolatore zener in cui tutta l'energia non necessaria viene dissipata in calore. È un comportamento che può essere osservato in una sorta di alimentatore di fascia bassa con un carico molto piccolo.

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

Quest'ultimo caso, è un caso puramente ipotetico in cui l'alimentatore consumerebbe effettivamente meno energia a carico più elevato. Come ha detto @Marcks Thomas , questo non è qualcosa che si può osservare da un alimentatore pratico, ma è ancora teoricamente possibile e dimostra che l'istintiva regola TANSTAAFL non può sempre essere applicata così facilmente.

Conclusione :

Se devi caricare molti dispositivi a 5 V, è meglio farlo da un computer già in esecuzione piuttosto che da più caricabatterie da muro. Non sarà gratuito ma sarà più efficiente.

Inoltre, potrebbe essere necessario disporre di porte USB con 1Afunzionalità (ad es. USB3) Per ottenere la stessa velocità di ricarica.

TANSTAAFL si applica anche qui.

Non ottieni potere per niente. Altrimenti potremmo semplicemente usare le porte USB per alimentare un altro computer e usare l'altro computer per alimentare il primo. È un'idea divertente, ma non funziona.

L'energia per la ricarica è piuttosto piccola però. USB1 o 2 utilizzano da 100 a 500 mAmp a 5 volt. Questo è un massimo di 2½ Watt. Rispetto al normale consumo di energia al minimo di un PC piuttosto piccolo. (Normale: 50 watt per un PC da ufficio a 150 watt inattivo per un PC di fascia alta. E circa tre volte che durante il gioco, la compilazione ecc. Ecc.).

Sì. È una regola di base della fisica; se qualcosa sta togliendo il potere dal tuo computer, il tuo computer deve ottenere quel potere da qualche parte. Le porte USB non consumano energia solo se abilitate *, non più di quanto una presa di corrente consumerebbe energia semplicemente avendo l'interruttore "acceso" senza nulla collegato.

* Va bene, c'è una quantità minima di energia consumata dal monitoraggio del chip del controller USB per vedere se qualcosa è collegato, ma è una piccola quantità di energia.

Sì, stai utilizzando più elettricità, ma non in quantità che faranno un'enorme differenza sulla bolletta alla fine del mese.

Risposta breve:

SÌ; pagherai sempre per l'alimentazione USB con almeno molta più energia dal muro . Non solo ciò è richiesto dalle leggi della termodinamica, ma è anche inerente al funzionamento degli alimentatori.

Risposta più lunga:

Considereremo l'intero sistema del computer, il suo alimentatore interno, i suoi circuiti operativi e i circuiti delle porte USB come un'unica grande scatola nera chiamata "Supply". Ai fini di questa illustrazione, l'intero computer è un caricatore USB sovradimensionato, con due uscite: la potenza operativa del computer, che chiameremo PC , e la potenza USB di uscita, che chiameremo Pu .

La conversione di energia da una forma (tensione, corrente, frequenza) a un'altra e la conduzione di energia da una parte di un circuito a un'altra sono tutti processi fisici tutt'altro che perfetti. Anche in un mondo ideale, con superconduttori e componenti ancora da inventare, il circuito non può essere migliore del perfetto. (L'importanza di questo sottile messaggio si rivelerà la chiave di questa risposta). Se si desidera 1 W da un circuito, è necessario inserire almeno 1 W e, in tutti i casi pratici, un po 'più di 1 W. Quel po 'di più è il potere perso nella conversione e si chiama perdita . Chiameremo il potere di perdita Pl, ed è direttamente correlato alla quantità di energia erogata dall'alimentazione. La perdita è quasi sempre evidente come calore, ed è per questo che i circuiti elettronici che trasportano grandi livelli di potenza devono essere ventilati.

C'è una funzione matematica, (un'equazione), che descrive come varia la perdita con la potenza di uscita. Questa funzione coinvolgerà il quadrato della tensione o corrente di uscita in cui si perde potenza in resistenza, una frequenza moltiplicata per la tensione di uscita o corrente in cui si perde energia durante la commutazione. Ma non dobbiamo soffermarci su questo, possiamo racchiudere tutti quei dettagli irrilevanti in un simbolo, che chiameremo f (Po) , dove Po è la potenza di uscita totale e viene utilizzato per correlare la potenza di uscita alla perdita dal equazione Pl = f (Pc + Pu) .

Un alimentatore è un circuito che richiede alimentazione per funzionare, anche se non fornisce alcuna potenza di uscita. Gli ingegneri elettronici chiamano questo potere quiescente e lo chiameremo Pq . La potenza di riposo è costante e non è assolutamente influenzata dalla potenza dell'alimentatore per fornire la potenza di uscita. In questo esempio, dove il computer sta eseguendo altre funzioni oltre ad alimentare il caricabatterie USB, includiamo la potenza operativa delle altre funzioni del computer in Pq .

Tutta questa potenza viene dalla presa a muro e chiameremo la potenza in ingresso, Pw , ( Pi assomiglia in modo confuso a Pl , quindi sono passato a Pw per l' alimentazione a parete).

Quindi ora siamo pronti a mettere insieme quanto sopra e ottenere una descrizione di come questi contributi di potere sono correlati. Bene, in primo luogo sappiamo che ogni microwatt di potenza in uscita o perdita proviene dal muro. Così:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

E sappiamo che Pl = f (Pc + Pu) , quindi:

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

Ora possiamo testare l'ipotesi che la presa di corrente dall'uscita USB aumenta la potenza della parete di meno della potenza USB . Possiamo formalizzare questa ipotesi, vedere dove conduce e vedere se predice qualcosa di assurdo (nel qual caso l'ipotesi è falsa) o predire qualcosa di realistico (nel qual caso le ipotesi rimangono plausibili).

Possiamo prima scrivere l'ipotesi come:

(Alimentazione a muro con carico USB) - (Alimentazione a muro senza carico USB) <(Alimentazione USB)

e matematicamente come:

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

Ora possiamo semplificare questo eliminando gli stessi termini su entrambi i lati del segno meno e rimuovendo le parentesi:

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

quindi sottraendo Pu da entrambi i lati della disuguaglianza (<segno):

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

Ecco la nostra assurdità. Cosa significa questo risultato in parole povere è:

La perdita aggiuntiva derivante dall'assunzione di più energia dalla fornitura è negativa

Ciò significa resistori negativi, tensioni negative cadute attraverso le giunzioni dei semiconduttori o potenza che appare magicamente dai nuclei degli induttori. Tutto ciò è una sciocchezza, fiabe, un pio desiderio delle macchine a moto perpetuo ed è assolutamente impossibile.

Conclusione:

Non è fisicamente possibile, teoricamente o altrimenti, ottenere l'alimentazione da una porta USB del computer, con meno della stessa quantità di energia extra proveniente dalla presa a muro.

Cosa è mancato a @zakinster?

Con il massimo rispetto per @zakinster, ha frainteso la natura dell'efficienza. L'efficienza è una conseguenza della relazione tra potenza in ingresso, perdita e potenza in uscita e non una quantità fisica per la quale potenza in entrata, perdita e potenza in uscita sono conseguenze.

Per illustrare, prendiamo il caso di un alimentatore con una potenza di uscita massima di 900 W , perdite date da Pl = APo² + BPo dove A = 10 ^ -4 e B = 10 ^ -2 e Pq = 30W. Modellare l'efficienza ( Po / Pi ) di un tale alimentatore in Excel e rappresentarlo graficamente su una scala simile alla curva Anand Tech, fornisce:

Questo modello ha una curva iniziale molto ripida, come l'offerta Anand Tech, ma è interamente modellato secondo l'analisi sopra che rende assurda la potenza libera.

Prendiamo questo modello e diamo un'occhiata agli esempi forniti da @zakinster nel caso 2 e nel caso 3. Se cambiamo Pq a 50 W e rendiamo la fornitura perfetta , con perdita zero, possiamo ottenere un'efficienza dell'80% con un carico di 200 W. Ma anche in questa situazione perfetta, il massimo che possiamo ottenere a 205 W è l'efficienza dell'80,39%. Per raggiungere l'80,5%, @zakinster suggerisce che una possibilità pratica richiede una funzione di perdita negativa, che è impossibile. E raggiungere l'82% di efficienza è ancora più impossibile.

Per un riepilogo, consultare la risposta breve sopra.

È possibile che un computer possa assorbire la stessa potenza durante la ricarica dei dispositivi, come quando non si caricano i dispositivi (tutto il resto è uguale, come il carico della CPU). Le leggi della fisica, come il principio di conservazione dell'energia, non forniscono alcuna garanzia che ciò non possa accadere.

Perché ciò accada, il computer dovrebbe sprecare energia quando i dispositivi non sono collegati, in modo tale che quando vengono collegati, l'energia altrimenti sprecata viene quindi reindirizzata in essi e quindi utilizzata.

I progettisti elettronici dovrebbero fare di tutto per escogitare un design così dispendioso, ma è possibile. Un circuito che consuma esattamente la stessa quantità di energia, indipendentemente dal fatto che stia caricando una o più batterie, è più difficile da progettare di uno che consuma energia in proporzione al lavoro di ricarica, e il risultato è un dispositivo dispendioso che nessuno vuole.

In realtà, i progettisti cercano regolatori di tensione pronti all'uso per alimentare i componenti della scheda madre. I regolatori di tensione hanno la proprietà di essere meno caricati, minore è la potenza assorbita in generale e meno sprecano internamente. (I regolatori lineari sprecano di più, cambiando quelli di meno, ma entrambi consumano meno quando sono meno carichi.)

Qualsiasi cosa nel sistema spento contribuisce al risparmio energetico netto: porta ethernet spenta, trasmettitore Wi-Fi spento, disco spento, CPU inattiva o porta USB che non fornisce corrente. Il risparmio è duplice: in primo luogo, il sottosistema stesso non utilizza energia e, in secondo luogo, meno energia viene sprecata a monte come dissipazione del calore nella catena di alimentazione.

Sì. È fisica di base (termodinamica). Allo stesso modo, caricare il telefono in auto consuma un po 'più di benzina. Un altro esempio sono gli orologi cinetici: devi mangiare un po 'più di cibo perché indossi un orologio cinetico! Probabilmente è incommensurabile, ma la legge di conservazione dell'energia lo richiede. L'energia non può essere creata o distrutta.