Czy komputer zużywa więcej prądu podczas ładowania urządzeń USB?

68

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?

Arnehehe
źródło
15
@DanielRHicks Jeśli podłączy pięć urządzeń o natężeniu 0,5 A każde, to 16 W (przy 80% wydajności). Które mogą nie być odpowiednie dla rachunków za energię elektryczną, ale to jest łatwo mierzalna z watomierza $ 15.
zakinster
7
Randall Munroe krótko omawia twoje pytanie tutaj: what-if.xkcd.com/35
Eric Lippert
6
Nie. Możesz zacząć zarabiać, pompując energię z gniazd SUB.
Val
7
Mój UPS ma miernik mocy, a gdy zawieszam komputer bez podłączonych urządzeń USB, zużycie energii wynosi 0 watów. Jeśli podłączę tablet i dwa telefony do ładowania (porty USB są zawsze zasilane, gdy komputer jest zawieszony), zużycie energii wynosi 7 watów. Nie wiem, jak dokładny jest miernik mocy zasilacza UPS, ale z pewnością użyto mierzalnej mocy. Nie sprawdzałem zużycia energii przez USB, gdy komputer jest włączony, ale komputer pozostaje bezczynny około 80 W, więc zakładam, że ładowanie USB doprowadziłoby go do około 87 W.
Johnny
2
Dobre pytanie. ~ Czy włożenie dodatkowego przedmiotu do lodówki powoduje, że zużywa on więcej prądu?
tymtam

Odpowiedzi:

94

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 ):

Krzywa wydajności Cooler Master UCP 900 W.

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.

zakinster
źródło
6
Nie sądzę, aby jakikolwiek praktyczny zasilacz miał wystarczająco stromą krzywą wydajności, aby faktycznie zmniejszyć zużycie przy zwiększonym obciążeniu, ale daje +1, aby podkreślić, że komputer może być bardziej wydajny niż ładowarka ścienna.
Marcks Thomas
4
@MarcksThomas Też nie sądzę, ale teoretycznie jest to możliwe i łatwo byłoby zbudować atrapę nieefektywnego zasilacza, który zachowuje się w ten sposób. Chciałem tylko podkreślić, że proste rozumowanie TANSTAAFL działa tylko wtedy, gdy nie bierze się pod uwagę faktu, że zasilacz komputera może już pobierać moc, której nie używasz. Ogólne zużycie oczywiście nie spadnie, ale nie zdziwiłbym się, gdyby nie wzrosło tak bardzo, jak oczekiwano.
zakinster
1
Jeśli zaczniesz używać dodatkowych 5 W do ładowania urządzenia, komputer prawdopodobnie pobierze dodatkowe 6 W z gniazda ściennego. (To jest 5 Watów plus nieefektywność zasilacza, przy czym przeciętny zasilacz ma około 80% wydajności). Oddzielna ładowarka może być mniej wydajna, zwłaszcza jeśli pozostanie podłączona 24/7. Wynika to z faktu, że nawet gdy nie jest używana, ładowarka zużywa trochę energii. Niewiele, ale 24 godziny na dobę niewiele się sumuje. (Nie żeby PO poprosił o tyle szczegółów. :)).
Hennes,
2
@zakinster Jeśli komputer pobiera 200 W z wydajnością 80%, pobiera 250 W ze ściany (ponieważ 20% jest tracone podczas konwersji zasilacza). Dodanie 5 W do poboru na PC daje 205 W pobranej mocy, a przy 80% wydajności daje 256,25 W pobranej ze ściany (lub dodatkowe 6,25 W ).
Przełom
3
@Breakthrough całkowicie prawdziwe, jeśli wydajność jest stałą 80% na 200W i 205W , ale określone w moim przykładzie, że sprawność zasilacza faktycznie 80,5% przy 205W
zakinster
45

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.).

Hennes
źródło
2
Ups Naprawiono matematykę. Właściwie nie tylko wat. volt x watt = Watt był pierdnięciem mózgu. To powinno być w amperażu.
Hennes,
17
@Hennes Nie możesz zastosować zasady darmowego lunchu tak łatwo, że zasilacz komputera może już marnować energię potrzebną urządzeniom USB i może być w stanie zasilać te urządzenia bez zwiększania obciążenia gniazdka ściennego. To może nie być zwykły przypadek, ale jest to powszechne zachowanie w przypadku poważnie niedociążonego zasilacza.
zakinster
5
TANSTAAFL jest również znany jako zasada „zachowania energii”.
wchargin
17
Ta odpowiedź jest nieuzasadniona. Sama zasada zachowania energii nie gwarantuje nam, że urządzenie ładujące zużywa więcej energii podczas ładowania, a mniej podczas ładowania. Urządzenie ładujące może zużywać tę samą energię niezależnie od tego, czy ładuje się, marnując energię, gdy nie jest ładowane. Możesz dostać coś za darmo, jeśli wykorzystasz to, co w przeciwnym razie zostało zmarnowane. (Dlatego należy argumentować, że tak się nie dzieje w komputerze z portami USB.)
Kaz
5
-1 za niedokładne przeczytanie pytania. Pytanie nie zadało pytania, czy porty USB zapewniają magiczną darmową moc. Pytanie brzmiało, czy zawsze zużywają energię, czy tylko wtedy, gdy coś ładują.
Kyralessa
11

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.

Stu
źródło
A moc układu kontrolera jest używana niezależnie od tego, czy dysk flash jest podłączony, czy nie, więc nawet nie bierze pod uwagę :)
Thomas
Jasne, ale jeśli wyłączysz porty (niektóre laptopy mają taką opcję), spodziewam się, że również wyłączy kontroler.
Stu
4
To nie jest podstawowa zasada fizyki.
Kaz
2
Chciałbym -1 - to nie jest „podstawowa zasada fizyki”.
tymtam
9

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

NickW
źródło
1
ładna i prosta odpowiedź :)
Joe DF
Ale jeśli komputer jest laptopem, wpłynie to na żywotność baterii.
200_success
Zgodził się, ale zapytał o rachunek za prąd :)
NickW,
4

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:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

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.

Billysugger
źródło
Świetna odpowiedź, ale nie zgadzam się z twoim wnioskiem; funkcja utraty nie musi wszędzie rosnąć. W rzeczywistości zaprojektowanie zasilacza, który redukuje straty pod obciążeniem, jest trywialne, chociaż ta funkcja nie byłaby przydatna. Ta odpowiedź bardzo dokładnie pokazuje nieprawdopodobieństwo, a nie niemożliwość.
Marcks Thomas
OP miał na myśli ładowanie z praktycznego komputera. Chociaż nie mam wątpliwości, że można sztucznie dodać rozpraszające elementy, które włączają się w pewnych okolicznościach, aby udowodnić punkt, który stanowiłby zwiększone obciążenie (w celu próby udowodnienia punktu), a nie zwiększającą się stratę. Ale jeśli istnieje rozsądny i praktyczny projekt zasilacza, który wykazuje funkcję ujemnej straty i nie jest mierzalny pod względem kosztów lub wydajności poprzez wyeliminowanie funkcji ujemnej straty, to chciałbym to zobaczyć.
Billysugger
3

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.

Kaz
źródło
1
W rzeczywistości obwody zasilające, które pobierają względnie stałą ilość energii, niezależnie od tego, ile mocy jest potrzebne, były dość powszechne i nie zdziwiłbym się, gdyby były nadal używane w niektórych aplikacjach. Jeśli urządzenie zasilane z sieci nigdy nie potrzebuje więcej niż 1mA, rezystor 100K, „zwykła” dioda, zener i nasadka mogą dość tanio przekształcić AC120 w nieregulowane napięcie, które jest wystarczająco niskie, aby zasilić tani regulator. Takie urządzenie prawdopodobnie pobierałoby około 1/8 wata w sposób ciągły, niezależnie od tego, ile zostało zużyte, ale prawdopodobnie byłoby tańsze niż jakakolwiek praktyczna alternatywa.
supercat
1

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.

Dermot
źródło