Máy tính có sử dụng nhiều điện hơn khi sạc các thiết bị USB không?

Một cái gì đó tôi luôn luôn tự hỏi. Nếu tôi liên tục kết nối điện thoại di động, ổ cứng và những thứ tương tự thông qua USB vào máy tính của tôi, liệu nó có ăn nhiều hơn trên hóa đơn tiền điện không? Hoặc các cổng USB sử dụng hết điện bằng cách chỉ được bật bằng mọi cách, do đó không ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng?

Câu trả lời ngắn:

Máy tính có sử dụng nhiều điện hơn khi sạc các thiết bị USB không?

Nói chung là có , nhưng không nhất thiết là nhiều như bạn mong đợi; nó sẽ không phải là sức mạnh tự do , nhưng nó có thể có được hiệu quả hơn . Nó thực sự phụ thuộc vào đường cong hiệu quả việc cung cấp năng lượng của riêng, và điểm mà tại đó bạn đang hoạt động nó ở (và tiêu thụ điện năng là bị ảnh hưởng bởi phần mềm):

• Nếu nguồn điện máy tính của bạn bị quá tải (ví dụ như trạng thái không hoạt động), việc thêm nhiều tải hơn sẽ tăng một chút hiệu quả năng lượng cho toàn hệ thống.
• Nếu nguồn điện máy tính của bạn được nạp chính xác, nó sẽ gần hiệu suất cao nhất với nó thường tốt hơn nhiều so với bộ sạc tường USB.
• Nếu nguồn điện máy tính của bạn đã quá tải (điều không bao giờ xảy ra), bạn có nhiều vấn đề cấp bách hơn hiệu quả nguồn USB.

Câu trả lời dài:

Một cổng USB có thể mức tối đa sản lượng 500mA ( USB1&2) và 950mA ( USB3) tại 5V mang đến cho mức tối đa của 2.5W ( USB1&2) và 4.75W ( USB3).

Cổng USB không tiêu thụ năng lượng tự . Không có bất cứ thứ gì cắm, chúng chỉ là mạch mở.

Bây giờ, nếu bạn lấy 1A ( 5W ) ra cổng USB3, nó thường sẽ tăng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu thêm ~ 6W (tùy thuộc vào hiệu suất cung cấp năng lượng của bạn), sẽ tăng từ 2% đến 5% mức tiêu thụ điện năng của máy tính.

Nhưng, trong một số trường hợp, nó có thể khác.

Nếu bạn xem một số đường cong hiệu quả PSU (từ AnandTech ):

Bạn sẽ thấy hiệu quả không phải là một giá trị không đổi, nó thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào tải được áp dụng cho PSU. Bạn sẽ thấy trên PSU 900W rằng ở công suất thấp ( 50W đến 200W ), đường cong dốc đến mức tăng tải sẽ kéo theo hiệu quả tăng đáng kể.

Nếu mức tăng hiệu quả đủ cao, điều đó có nghĩa là trong một số trường hợp, máy tính của bạn có thể không cần thực sự rút thêm 5W từ ổ cắm trên tường khi bạn rút thêm 5W từ cổng USB.

Hãy lấy một ví dụ về máy tính vẽ 200W trên PSU với hiệu suất thực tế là 80% ở mức 200W :

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

Bây giờ, tùy thuộc vào đường cong hiệu suất của PSU trong khoảng từ 200W đến 205W , mức tiêu thụ năng lượng tương đối của thiết bị USB có thể hoàn toàn khác nhau:

<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

Đây là trường hợp đơn giản hóa thông thường , trong đó hiệu quả là như nhau, do đó mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị USB tương đương với5W / 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

Trong trường hợp này, hiệu suất PSU tăng từ 200W đến 205W , do đó bạn không thể suy ra mức tiêu thụ năng lượng tương đối của thiết bị USB mà không tính đến toàn bộ mức tiêu thụ điện của máy tính và bạn sẽ thấy mức tăng tương đối ở ổ cắm trên tường thực tế có thể thấp hơn 5W .

Hành vi này chỉ xảy ra bởi vì, trong trường hợp đó, PSU bị quá tải, vì vậy đó không phải là trường hợp thông thường , nhưng đó vẫn là một khả năng thực tế.

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

Trong trường hợp này, PSU lấy năng lượng tương tự từ ổ cắm trên tường, bất kể tải nào nó nhận được. Đây là hành vi của một bộ điều chỉnh zener trong đó tất cả sức mạnh không cần thiết bị tiêu tan thành nhiệt. Đó là một hành vi có thể được quan sát trong một số loại PSU cấp thấp với tải rất nhỏ.

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

Trường hợp cuối cùng đó, là một trường hợp hoàn toàn giả thuyết trong đó PSU thực sự sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn ở mức tải cao hơn. Như @Marcks Thomas đã nói, đây không phải là thứ bạn có thể quan sát được từ nguồn cung cấp năng lượng thực tế, nhưng về mặt lý thuyết vẫn có thể và chứng minh rằng quy tắc TANSTAAFL theo bản năng không thể luôn luôn được áp dụng dễ dàng.

Kết luận :

Nếu bạn cần sạc nhiều thiết bị 5V, tốt hơn là nên làm điều đó từ một máy tính đã chạy hơn là từ nhiều bộ sạc tường. Nó sẽ không miễn phí nhưng sẽ hiệu quả hơn.

Cũng lưu ý rằng bạn có thể cần các cổng USB có 1Akhả năng (ví dụ USB3) để có cùng tốc độ sạc.

TANSTAAFL cũng được áp dụng ở đây.

Bạn không có được sức mạnh cho bất cứ điều gì. Nếu không, chúng ta chỉ có thể sử dụng các cổng USB để cấp nguồn cho máy tính khác và sử dụng máy tính khác để cấp nguồn cho máy tính đầu tiên. Đó là một ý tưởng thú vị, nhưng nó không hoạt động.

Năng lượng để sạc khá nhỏ mặc dù. USB1 hoặc 2 sử dụng 100 đến 500 mAmp ở 5 volt. Đó là tối đa 2½ watt. So với mức tiêu thụ năng lượng nhàn rỗi bình thường của PC khá nhỏ. (Bình thường: 50 watt cho PC văn phòng đến 150 watt nhàn rỗi cho PC cao cấp. Và khoảng ba lần khi chơi game, biên dịch, v.v.).

Đúng. Đó là một quy tắc cơ bản của vật lý; nếu có thứ gì đó lấy điện từ máy tính của bạn, máy tính của bạn phải lấy nguồn đó từ đâu đó. Các cổng USB không tiêu thụ năng lượng chỉ bằng cách được bật *, bất kỳ ổ cắm điện nào cũng sẽ tiêu thụ năng lượng chỉ bằng cách bật công tắc "không bật".

* Được rồi, có một lượng điện năng tối thiểu được tiêu thụ bởi bộ giám sát chip điều khiển USB để xem có thứ gì được cắm vào không, nhưng đó là một lượng điện nhỏ.

Có, bạn đang sử dụng nhiều điện hơn, nhưng không phải là số tiền sẽ tạo ra sự khác biệt lớn cho hóa đơn của bạn vào cuối tháng.

Câu trả lời ngắn:

ĐÚNG; bạn sẽ luôn trả tiền cho nguồn USB với ít nhất là nhiều năng lượng hơn từ tường . Điều này không chỉ được yêu cầu bởi các định luật nhiệt động lực học, nó còn cố hữu trong cách thức cung cấp năng lượng.

Trả lời dài hơn:

Chúng ta sẽ lấy toàn bộ hệ thống của máy tính, nguồn điện bên trong, mạch vận hành và mạch cổng USB của nó thành một hộp đen lớn gọi là Cung cấp. Với mục đích minh họa này, toàn bộ máy tính là một bộ sạc USB quá khổ, với hai đầu ra: công suất hoạt động của máy tính, chúng ta sẽ gọi Pc và nguồn USB đầu ra, chúng ta sẽ gọi Pu .

Chuyển đổi năng lượng từ một dạng, (điện áp, dòng điện, tần số), sang dạng khác và dẫn điện từ một phần của mạch này sang một phần khác, đều là các quá trình vật lý không hoàn hảo. Ngay cả trong một thế giới lý tưởng, với các chất siêu dẫn và các thành phần chưa được phát minh, mạch không thể tốt hơn hoàn hảo. (Tầm quan trọng của thông điệp tinh tế này sẽ trở thành chìa khóa cho câu trả lời này). Nếu bạn muốn 1W ra khỏi mạch, bạn phải đặt ít nhất 1W và trong tất cả các trường hợp thực tế nhiều hơn 1W một chút. Thêm một chút nữa là sức mạnh bị mất trong quá trình chuyển đổi và được gọi là mất mát . Chúng tôi sẽ gọi mất điện Plvà nó liên quan trực tiếp đến lượng điện năng được cung cấp bởi nguồn cung cấp. Mất mát hầu như luôn luôn rõ ràng là nhiệt và đó là lý do tại sao các mạch điện tử mang mức năng lượng lớn phải được thông gió.

Có một số hàm toán học, (một phương trình), mô tả mức độ tổn thất thay đổi theo công suất đầu ra. Chức năng này sẽ liên quan đến bình phương của điện áp đầu ra hoặc dòng điện nơi mất điện trong điện trở, tần số nhân với điện áp đầu ra hoặc dòng điện nơi mất điện khi chuyển đổi. Nhưng chúng ta không cần phải suy nghĩ về điều đó, chúng ta có thể gói tất cả các chi tiết không liên quan đó vào một biểu tượng, mà chúng ta sẽ gọi f (Po) , trong đó Po là tổng công suất đầu ra và được sử dụng để liên kết công suất đầu ra bị mất bởi phương trình Pl = f (Pc + Pu) .

Nguồn cung cấp là một mạch đòi hỏi năng lượng để hoạt động, ngay cả khi nó không cung cấp năng lượng đầu ra. Các kỹ sư điện tử gọi đây là sức mạnh hoạt động và chúng ta sẽ gọi nó là Pq . Công suất tĩnh không đổi và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp năng lượng hoạt động mạnh như thế nào để cung cấp năng lượng đầu ra. Trong ví dụ này, nơi máy tính đang thực hiện các chức năng khác ngoài việc cấp nguồn cho bộ sạc USB, chúng tôi bao gồm năng lượng hoạt động của các chức năng máy tính khác trong Pq .

Tất cả năng lượng này đến từ ổ cắm trên tường và chúng tôi sẽ gọi nguồn điện đầu vào là Pw , ( Pi trông khó hiểu như Pl , vì vậy tôi đã chuyển sang Pw cho nguồn điện tường).

Vì vậy, bây giờ chúng tôi đã sẵn sàng để kết hợp những điều trên lại với nhau và có được một mô tả về những đóng góp sức mạnh này có liên quan như thế nào. Đầu tiên, chúng ta biết rằng mọi microwatt của sản lượng điện, hoặc mất, đều đến từ tường. Vì thế:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

Và chúng ta biết rằng Pl = f (Pc + Pu) , vì vậy:

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

Bây giờ chúng ta có thể kiểm tra giả thuyết rằng việc lấy nguồn từ đầu ra USB sẽ tăng sau đó năng lượng tường ít hơn năng lượng USB . Chúng ta có thể chính thức hóa giả thuyết này, xem nó dẫn đến đâu và xem liệu nó dự đoán điều gì đó vô lý, (trong trường hợp đó là giả thuyết sai), hoặc dự đoán điều gì đó thực tế, (trong trường hợp đó các giả thuyết vẫn hợp lý).

Chúng ta có thể viết giả thuyết đầu tiên là:

(Nguồn điện có tải USB) - (Nguồn điện không tải USB) <(Nguồn USB)

và về mặt toán học như:

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

Bây giờ chúng ta có thể đơn giản hóa điều này bằng cách loại bỏ các thuật ngữ tương tự trên cả hai mặt của dấu trừ và xóa dấu ngoặc:

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

sau đó bằng cách trừ Pu từ cả hai phía của bất đẳng thức (<dấu):

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

Đây là sự vô lý của chúng tôi. Kết quả này có nghĩa là gì trong tiếng Anh đơn giản là:

Mất thêm có liên quan đến việc lấy thêm năng lượng từ nguồn cung là âm

Điều này có nghĩa là điện trở âm, điện áp âm rơi trên các điểm bán dẫn hoặc công suất xuất hiện một cách kỳ diệu từ lõi của cuộn cảm. Tất cả những điều này là vô nghĩa, những câu chuyện cổ tích, mơ tưởng về những cỗ máy chuyển động vĩnh viễn, và hoàn toàn không thể.

Phần kết luận:

Về mặt lý thuyết, về mặt lý thuyết hay cách khác, không thể lấy nguồn ra khỏi cổng USB của máy tính, với ít hơn cùng một lượng điện bổ sung đến từ ổ cắm trên tường.

@Zakinster đã bỏ lỡ điều gì?

Với sự tôn trọng lớn nhất đối với @zakinster, anh ta đã hiểu sai bản chất của hiệu quả. Hiệu quả là hệ quả của mối quan hệ giữa công suất đầu vào, tổn thất và công suất đầu ra, và không phải là đại lượng vật lý mà công suất đầu vào, tổn thất và công suất đầu ra là hậu quả.

Để minh họa, hãy lấy trường hợp cung cấp năng lượng với công suất đầu ra tối đa 900W, tổn thất do Pl = APo² + BPo đưa ra trong đó A = 10 ^ -4 và B = 10 ^ -2 và Pq = 30W. Mô hình hóa hiệu quả ( Po / Pi ) của nguồn cung cấp năng lượng như vậy trong Excel và vẽ đồ thị theo tỷ lệ tương tự như đường cong Anand Tech, đưa ra:

Mô hình này có đường cong ban đầu rất dốc, giống như nguồn cung Anand Tech, nhưng được mô hình hóa hoàn toàn theo phân tích ở trên khiến cho nguồn điện tự do trở nên vô lý.

Chúng ta hãy lấy mô hình này và xem xét các ví dụ @zakinster đưa ra trong Trường hợp 2 và Trường hợp 3. Nếu chúng ta thay đổi Pq thành 50W và làm cho nguồn cung hoàn hảo , với tổn thất bằng 0, thì chúng ta có thể đạt hiệu suất 80% khi tải 200W. Nhưng ngay cả trong tình huống hoàn hảo này, thứ tốt nhất chúng ta có thể đạt được ở 205W là hiệu suất 80,39%. Để đạt được 80,5% @zakinster gợi ý là một khả năng thực tế đòi hỏi phải có chức năng mất tiêu cực, điều này là không thể. Và đạt được hiệu quả 82% vẫn là không thể hơn.

Để biết tóm tắt, vui lòng tham khảo Câu trả lời ngắn ở trên.

Có thể một máy tính có thể tiêu thụ cùng một năng lượng trong khi sạc các thiết bị, như khi không sạc các thiết bị (tất cả những thứ khác đều bằng nhau, như tải CPU). Các định luật vật lý, giống như nguyên tắc bảo toàn năng lượng, không cung cấp bất kỳ sự đảm bảo nào rằng điều này không thể xảy ra.

Để điều đó xảy ra, máy tính sẽ phải lãng phí điện năng khi các thiết bị không được cắm vào, để khi chúng được cắm vào, năng lượng bị lãng phí sau đó sẽ được chuyển hướng vào chúng và do đó được sử dụng.

Các nhà thiết kế điện tử sẽ phải nỗ lực để tạo ra một thiết kế lãng phí như vậy, nhưng điều đó là có thể. Một mạch điện sử dụng chính xác cùng một lượng điện, cho dù nó có sạc một hay nhiều pin hay không, khó thiết kế hơn một mạch có công suất tương ứng với công việc sạc và kết quả là một thiết bị lãng phí mà không ai muốn.

Trong thực tế, các nhà thiết kế tiếp cận với các bộ điều chỉnh điện áp ngoài giá để cung cấp năng lượng cho các thành phần của bo mạch chủ. Các bộ điều chỉnh điện áp có đặc tính là chúng càng ít tải, chúng càng tiêu thụ ít năng lượng và chúng càng ít lãng phí trong nội bộ. (Bộ điều chỉnh tuyến tính lãng phí nhiều hơn, chuyển đổi ít hơn, nhưng cả hai đều tiêu thụ ít hơn khi tải ít hơn.)

Bất cứ điều gì trong hệ thống được tắt nguồn đều góp phần tiết kiệm năng lượng ròng: tắt cổng ethernet, tắt bộ phát Wi-Fi, quay đĩa xuống, CPU ngủ hoặc cổng USB không cung cấp dòng điện. Việc tiết kiệm là hai lần: thứ nhất, bản thân hệ thống con không sử dụng năng lượng và thứ hai, ít lãng phí năng lượng hơn ở thượng nguồn khi tản nhiệt trong chuỗi cung cấp điện.

Đúng. Đó là vật lý cơ bản (nhiệt động lực học). Theo cách tương tự, sạc điện thoại trong xe hơi của bạn sử dụng nhiều xăng hơn một chút. Một ví dụ khác là đồng hồ động học: bạn phải ăn thêm một chút thức ăn vì bạn đeo đồng hồ động học! Nó có thể là vô lượng, nhưng định luật bảo toàn năng lượng đòi hỏi nó. Năng lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy.