Использует ли компьютер больше электроэнергии при зарядке USB-устройств?

Что-то, что я всегда задавался вопросом. Если я постоянно подключаю к компьютеру мобильные телефоны, жесткие диски и тому подобное через USB, будет ли это больше расходовать на счет за электроэнергию? Или порты USB потребляют электроэнергию, просто будучи включенным в любом случае, что не влияет на энергопотребление?

Краткий ответ:

Использует ли компьютер больше электроэнергии при зарядке USB-устройств?

Обычно да , но не обязательно столько, сколько вы ожидаете; это не будет свободная власть , но она может быть получена более эффективно . Это действительно зависит от кривой эффективности специального блока питания , , и точек , в которой вы работаете его на (и потреблении энергии в пострадавших от программного обеспечения):

• Если блок питания вашего компьютера недостаточно загружен (например, в режиме ожидания), увеличение нагрузки немного увеличит эффективность энергопотребления для всей системы.
• Если блок питания вашего компьютера правильно загружен, он будет близок к пиковой эффективности, обычно намного лучше, чем настенное зарядное устройство USB.
• Если блок питания вашего компьютера уже перегружен (что никогда не должно происходить), у вас есть более насущные проблемы, чем эффективность питания USB.

Длинный ответ:

Порт USB может выводить максимумами 500мА ( USB1&2) и 950mA ( USB3) на 5V , который дает максимумы 2.5W ( USB1&2) и 4.75W ( USB3).

USB-порты не потребляют энергию сами по себе . Без чего-либо подключенного, они просто разомкнуты.

Теперь, если вы получаете 1 А ( 5 Вт ) из порта USB3, это обычно увеличивает глобальное энергопотребление на ~ 6 Вт (в зависимости от эффективности вашего источника питания), что будет увеличение от 2% до 5% от энергопотребления вашего компьютера.

Но в некоторых случаях это может быть иначе.

Если вы посмотрите на некоторую кривую эффективности блока питания (от AnandTech ):

Вы увидите, что эффективность не является постоянной величиной, она сильно варьируется в зависимости от нагрузки, подаваемой на блок питания. На этом блоке питания 900 Вт вы увидите, что при малой мощности (от 50 до 200 Вт ) кривая настолько крута, что увеличение нагрузки повлечет за собой значительное повышение эффективности.

Если повышение эффективности достаточно велико, это может означать, что в некоторых случаях вашему компьютеру может не потребоваться фактически потреблять дополнительные 5 Вт от сетевой розетки, когда вы потребляете дополнительные 5 Вт от USB-порта.

Давайте возьмем пример компьютера, потребляющего 200 Вт на блоке питания с фактической эффективностью 80% при 200 Вт :

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

Теперь, в зависимости от кривой эффективности блока питания между 200 Вт и 205 Вт , относительное энергопотребление устройства USB может быть совершенно другим:

<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

Это обычный упрощенный случай, когда эффективность одинакова, следовательно, энергопотребление устройства USB эквивалентно5W / 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

В этом случае эффективность блока питания увеличивается между 200 Вт и 205 Вт , поэтому вы не можете определить относительное энергопотребление USB-устройства без учета всей потребляемой мощности компьютера, и вы увидите относительное увеличение в настенной розетке. на самом деле может быть ниже, чем 5 Вт .

Такое поведение происходит только потому, что в этом случае блок питания недостаточно загружен, так что это не обычный случай, но это все еще практическая возможность.

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

В этом случае блок питания потребляет одинаковую мощность от сетевой розетки независимо от нагрузки, которую он получает. Это поведение стабилитрона, когда вся ненужная мощность рассеивается в тепло. Такое поведение можно наблюдать в каком-то низком блоке питания при очень небольшой нагрузке.

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

Этот последний случай - чисто гипотетический случай, когда блок питания фактически потребляет меньше энергии при более высокой нагрузке. Как сказал @Marcks Thomas , это не то, что вы можете наблюдать из практического источника питания, но это все еще теоретически возможно и доказывает, что инстинктивное правило TANSTAAFL не всегда может быть применено так легко.

Вывод :

Если вам нужно заряжать много устройств с напряжением 5 В, лучше сделать это с уже работающего компьютера, чем с нескольких настенных зарядных устройств. Это не будет бесплатным, но будет более эффективным.

Также обратите внимание, что вам могут понадобиться USB-порты с 1Aвозможностью (например USB3), чтобы получить ту же скорость зарядки.

TANSTAAFL также применяется здесь.

Вы не получаете власть ни за что. В противном случае мы могли бы просто использовать USB-порты для питания другого компьютера и использовать другой компьютер для питания первого. Это забавная идея, но она не работает.

Энергия для зарядки довольно мала, хотя. USB1 или 2 используют от 100 до 500 мА при 5 вольт. Это максимум 2,5 Вт. По сравнению с обычным бездействующим электропитанием ПК, что довольно мало. (Обычный: от 50 Вт для офисного ПК до 150 Вт в режиме ожидания для высокопроизводительного ПК. И примерно в три раза больше, чем при игре, компиляции и т. Д.).

Да. Это основное правило физики; если что-то отнимает энергию у вашего компьютера, ваш компьютер должен откуда-то получать эту энергию. USB-порты не потребляют энергию, просто будучи включенным *, так же, как розетка не потребляет энергию, просто включив выключатель без подключения.

* Хорошо, для мониторинга чипа контроллера USB требуется минимальное количество энергии, чтобы увидеть, подключено ли что-то, но это крошечное количество энергии.

Да, вы используете больше электроэнергии, но не в тех количествах, которые будут иметь огромное значение для вашего счета в конце месяца.

Краткий ответ:

ДА; Вы всегда будете платить за питание по USB, по крайней мере, намного больше от стены . Это требуется не только по законам термодинамики, но и по принципу работы источников питания.

Более длинный ответ:

Мы возьмем всю систему компьютера, его внутренний источник питания, рабочие схемы и схему USB-порта за один большой черный ящик, называемый источником питания. Для целей этой иллюстрации весь компьютер представляет собой одно негабаритное зарядное устройство USB с двумя выходами: рабочая мощность компьютера, которую мы будем называть Pc , и выходная мощность USB, которую мы будем называть Pu .

Преобразование энергии из одной формы (напряжение, ток, частота) в другую и передача энергии из одной части цепи в другую - все физические процессы, которые не идеальны. Даже в идеальном мире со сверхпроводниками и еще не изобретенными компонентами схема не может быть лучше, чем идеальная. (Важность этого тонкого сообщения станет ключом к этому ответу). Если вы хотите 1 Вт от цепи, вы должны включить по крайней мере 1 Вт, а во всех практических случаях чуть больше 1 Вт. Это немного больше энергии, потерянной при преобразовании, и называется потерей . Мы назовем потери мощности Plи это напрямую связано с количеством энергии, поставляемой источником. Потеря почти всегда проявляется в виде тепла, и поэтому электронные цепи, которые несут большие уровни мощности, должны вентилироваться.

Существует некоторая математическая функция (уравнение), которая описывает, как потери зависят от выходной мощности. Эта функция будет включать в себя квадрат выходного напряжения или тока, когда мощность теряется в сопротивлении, частоту, умноженную на выходное напряжение или ток, где мощность теряется при переключении. Но нам не нужно останавливаться на этом, мы можем свести все эти несущественные детали в один символ, который мы назовем f (Po) , где Po - общая выходная мощность, и который используется для соотнесения выходной мощности с потерями уравнение Pl = f (Pc + Pu) .

Источник питания - это цепь, для работы которой требуется питание, даже если он вообще не выдает выходной мощности. Инженеры-электронщики называют это силой покоя , и мы будем называть это Pq . Мощность покоя постоянна и абсолютно не зависит от того, насколько напряженно работает источник питания для обеспечения выходной мощности. В этом примере, где компьютер выполняет другие функции помимо питания USB-зарядного устройства, мы включаем рабочую мощность других функций компьютера в Pq .

Вся эта мощность поступает из настенной розетки, и мы будем называть входную мощность Pw ( Pi выглядит сбивающе с толку как Pl , поэтому я переключился на Pw для настенного питания).

Итак, теперь мы готовы собрать все вышесказанное и получить описание того, как эти вклады в силу связаны. Ну, во-первых, мы знаем, что каждый микроватт выходной мощности или потерь исходит от стены. Так:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

И мы знаем, что Pl = f (Pc + Pu) , поэтому:

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

Теперь мы можем проверить гипотезу о том, что потребление энергии с выхода USB увеличивает мощность на стене меньше, чем мощность USB . Мы можем формализовать эту гипотезу, посмотреть, куда она ведет, и посмотреть, предсказывает ли она что-то абсурдное (в этом случае гипотеза неверна) или предсказывает нечто реалистичное (в этом случае гипотеза остается правдоподобной).

Мы можем сначала написать гипотезу как:

(Питание от сети с нагрузкой USB) - (Питание от сети без нагрузки USB) <(Питание от USB)

и математически как:

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

Теперь мы можем упростить это, исключив одинаковые термины с обеих сторон знака минус и удалив скобки:

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

затем вычитая Pu из обеих сторон неравенства (<знак):

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

Вот наш абсурд. Что означает этот результат на простом английском языке:

Дополнительные потери, связанные с получением большей мощности от источника, отрицательны

Это означает отрицательные резисторы, отрицательные напряжения, падающие на полупроводниковые переходы, или мощность, магически появляющуюся от сердечников индукторов. Все это чепуха, сказки, бесполезное мышление о машинах с вечным движением, и это абсолютно невозможно.

Заключение:

Физически невозможно, теоретически или иным образом, получить питание от USB-порта компьютера, при этом менее чем такое же количество дополнительной энергии поступает из настенной розетки.

Что пропустил @zakinster?

С величайшим уважением к @zakinster, он неправильно понял природу эффективности. Эффективность является следствием взаимосвязи между входной мощностью, потерями и выходной мощностью, а не физической величиной, для которой входная мощность, потери и выходная мощность являются последствиями.

Чтобы проиллюстрировать это, давайте возьмем случай источника питания с максимальной выходной мощностью 900 Вт , потери даны как Pl = APo² + BPo, где A = 10 ^ -4 и B = 10 ^ -2, а Pq = 30 Вт. Моделирование эффективности ( Po / Pi ) такого блока питания в Excel и построение графика в масштабе, подобном кривой Anand Tech, дает:

У этой модели очень крутая начальная кривая, как у Anand Tech, но она полностью смоделирована в соответствии с приведенным выше анализом, который делает абсурд свободной власти.

Давайте возьмем эту модель и посмотрим на примеры, которые @zakinster дает в случае 2 и случае 3. Если мы изменим Pq на 50 Вт и сделаем источник питания идеальным , с нулевыми потерями, то мы можем получить 80% КПД при нагрузке 200 Вт. Но даже в этой идеальной ситуации лучшее, что мы можем получить при мощности 205 Вт, - это эффективность 80,39%. @Zakinster предполагает, что для достижения 80,5% практической возможности необходима функция отрицательных потерь, что невозможно. А достичь эффективности 82% все еще невозможно.

Для краткого изложения, пожалуйста, обратитесь к Краткому ответу выше.

Возможно, что при зарядке устройств компьютер может потреблять ту же мощность, что и при не зарядке устройств (при прочих равных условиях, например при загрузке процессора). Законы физики, как и принцип сохранения энергии, не дают никаких гарантий, что этого не произойдет.

Чтобы это произошло, компьютер должен был тратить энергию, когда устройства не подключены, так что, когда они подключены, в противном случае потерянная мощность будет перенаправлена ​​в них и, таким образом, использована.

Электронные дизайнеры должны были бы приложить все усилия, чтобы придумать такой расточительный дизайн, но это возможно. Схему, которая потребляет точно такое же количество энергии, независимо от того, заряжает она одну или несколько батарей или нет, сложнее спроектировать, чем ту, которая потребляет энергию пропорционально зарядке, и в результате получается расточительное устройство, которое никто не хочет.

В действительности, дизайнеры используют стандартные регуляторы напряжения для питания компонентов материнской платы. Регуляторы напряжения обладают тем свойством, что чем меньше они загружены, тем меньше потребляемая ими мощность в целом и тем меньше они тратят внутреннюю энергию. (Линейные регуляторы расходуют больше, переключая их меньше, но оба потребляют меньше при меньшей нагрузке.)

Все, что в системе отключено, способствует энергосбережению: отключенный порт Ethernet, отключенный передатчик Wi-Fi, отключенный диск, спящий процессор или порт USB, не подающий ток. Экономия в два раза: во-первых, сама подсистема не использует энергию, а во-вторых, меньше энергии тратится впустую в потоке, как рассеивание тепла в цепи питания.

Да. Это базовая физика (термодинамика). Таким же образом, зарядка телефона в автомобиле требует немного больше бензина. Другой пример - кинетические часы: вам нужно есть немного больше еды, потому что вы носите кинетические часы! Это, вероятно, неизмеримо, но закон сохранения энергии требует этого. Энергия не может быть создана или уничтожена.