Como os dispositivos / appliances consomem mais corrente quando necessário?

Suponha que eu tenha um computador desktop e decido fazer algo que exija mais poder de processamento. Nesse caso, meu computador consumirá mais corrente para aumentar a potência. Como esse aumento de corrente é realizado? Meu computador abre mais circuitos paralelos para diminuir a resistência total? ou eles têm potenciômetro eletrônico ou algo completamente diferente. A técnica usada em um computador de mesa é a mesma que se eu estivesse mudando a temperatura do forno?

Qualquer ajuda é muito apreciada.

Eu decido fazer algo que requer mais poder de processamento. Nesse caso, meu computador consumirá mais corrente para aumentar a potência.

Ao contrário: o computador fará mais coisas e, como resultado, consumirá mais energia.

Meu computador abre mais circuitos paralelos para diminuir a resistência total?

Isto é aproximadamente verdade. Exceto que os computadores realmente não operam com fluxo contínuo de corrente, eles operam em rajadas impulsionadas pelo relógio interno; cada ação envolve desenhar uma corrente para ligar um transistor ou afundar alguma corrente para desligá-lo novamente. Vezes um bilhão de transistores, um bilhão de vezes por segundo. Mais computação envolve mais transistores.

Em um nível alto, sim, você está certo de que o computador abre mais transistores ou, pelo menos, troca mais transistores quando consome mais corrente. Por exemplo, se você tem um multiplicador de hardware e geralmente não o usa, os transistores no multiplicador não ligam e, portanto, não consomem muita corrente. Se o código agora solicitar uma multiplicação, os transistores nele começarão a mudar e isso reduzirá a resistência entre o VDD e o terra. Isso atrairá mais atual. O consumo de corrente diminui a tensão do VDD. Agora, o regulador de tensão de comutação detectará essa queda de tensão e iniciará um ciclo de trabalho mais alto para permitir alta capacidade de corrente e aproximadamente uma tensão constante.

Em um amplo nível alto, os circuitos solicitam mais corrente, diminuindo sua resistência, porque a maioria dos circuitos opera com uma fonte de tensão constante.

Os computadores modernos usam portas lógicas projetadas para usar muito pouca energia quando estão em estado estacionário, mas que exigem uma explosão de energia para alterná-las de um estado para outro.

Se o computador estiver ocioso, o processador ficará no estado de suspensão por grande parte do tempo. A maioria dos circuitos não fará nada e, portanto, consome pouca energia. O mesmo vale para outros componentes, como a GPU da placa de vídeo.

Se você der algo a fazer, de repente, ele estará realizando mais trabalho. Os portões são ligados e desligados com mais frequência e, portanto, consomem mais energia.

Além disso, muitos computadores, especialmente laptops, são projetados para desligar seções inteiras do computador, caso não estejam sendo usadas. Por exemplo, a webcam em um laptop será desligada até você abrir um aplicativo que a utilize.

Existem vários mecanismos para o consumo de energia no nível do chip.

Quando os circuitos comutam, existem capacitores parasitas internos em todos os transistores e interconexões (internamente nos chips e externamente). Esses capacitores precisam ser carregados e descarregados quando os nós do circuito são alternados de desligado para ligado (ou ligado para desligado). Os capacitores são pequenos, mas quando você tem bilhões deles trocando bilhões de vezes por segundo, isso aumenta. (essa energia é realmente dissipada pela resistência do elemento do circuito, incluindo resistência parasitária nos capacitores parasitas)

Todos os elementos do circuito também têm resistência, portanto o fluxo de corrente em qualquer lugar dos circuitos cria calor e consome energia. À medida que os nós do circuito alternam, os capacitores parasitas nos dispositivos do lado da carga precisam ser trocados ou descarregados, o que requer fluxo de corrente que, por sua vez, gera calor e consome energia.

O consumo de energia associado a esses dois efeitos varia de acordo com o número de operações de comutação de nó interno, o que significa que o consumo de energia varia de acordo com a atividade (e a velocidade do relógio) do processador e outros elementos.

Transistores e outros componentes dentro dos circuitos integrados também possuem corrente de fuga. Isso cria um consumo de energia de linha de base (estático) que ainda ocorre quando o processador está inativo. Muitos sistemas modernos de baixa energia desligam a energia de subsistemas inteiros no processador e outros chips durante estados inativos ou inativos para minimizar esse consumo estático de energia.

Existem outros mecanismos de consumo de energia em computadores (fonte de alimentação inativa, etc), mas eles devem ajudar você a entender por que o consumo de energia varia e por que ainda há algum consumo de energia quando nenhum trabalho está sendo realizado.

Os diferentes CIs do computador terão, cada um, um consumo de corrente diferente. Aqui estão alguns dados do Atmega328P, um microcontrolador simples de 8 bits e 16 MHz usado no Arduino Uno e em outras placas semelhantes.

Os diferentes CIs do computador terão, cada um, um consumo de corrente diferente. Aqui estão alguns dados do Atmega328P, um microcontrolador simples de 8 bits e 16 MHz usado no Arduino Uno e em outras placas semelhantes.

Exemplo: Calcule o consumo atual esperado no modo inativo com TIMER1, ADC e SPI habilitado em VCC = 2.0V e F = 1MHz. Na tabela Consumo atual adicional (porcentagem) no modo Ativo e Inativo na seção anterior, terceira coluna, vemos que precisamos adicionar 14,5% para o TIMER1, 22,1% para o ADC e 15,7% para o módulo SPI. Lendo da Figura Corrente de alimentação inativa versus baixa frequência (0,1-1,0 MHz), descobrimos que o consumo de corrente inativa é ~ 0,045mA em VCC = 2,0V e F = 1MHz. O consumo total de corrente no modo inativo com TIMER1, ADC e SPI ativado fornece: ICCtotal ≃ 0,045 mA⋅ (1 + 0,145 + 0,222 + 0,157) ≃ 0,069 mA

(Ajuda a abrir a folha de dados para ver as várias tabelas).

Para um computador, rodando a 3,2 GHz (200 vezes mais rápido) e talvez a tensão lógica de 1,8V (e 4 ou 8 núcleos para multithreading), a tensão de 3,3V IO, conversando com os chips de memória e vídeo e o controlador de disco rígido e USB controladores e ethernet ou wireless, os cálculos seriam semelhantes, com cada chip adicionando sua própria quantidade ao total. Você pode ver por que o processador do computador tem um grande dissipador de calor na parte superior, com uma ventoinha de ventilação soprando ar sobre ele.

O que está acontecendo é que o computador não aumenta a entrada de energia, e sim que consome mais energia disponível. Cada parte do seu computador possui pequenos transistores que agem como comutadores. Para mantê-los abertos ou mudar de estado, é necessário um pouco de energia.

Ao adicionar componentes melhores ou mais complexos, a energia necessária para trocar esses transistores aumenta porque há mais. É claro que existem mais fatores para isso, como o tamanho do transistor, vazamento etc., mas no nível mais básico é o que acontece.

Há também um limite para quanta energia pode ser fornecida normalmente determinada pela sua fonte de alimentação. Como analogia, imagine o seguinte: quando você está pedalando, precisa colocar uma certa quantidade de energia nele. Agora você adquire uma bicicleta nova com rodas melhores, mas isso exige que você coloque mais força nela. Não são as rodas que "pedem" mais potência. É apenas necessário que você se mova e siga em frente. É claro que também há um limite para a quantidade de energia que você pode colocar nela antes que se torne muita. Se você continuar, terá dor muscular.

Em um computador, se houver muita energia, ela fica instável, assim como você não poderá continuar usando uma bicicleta que custa muita energia para se locomover. Em resumo, não é o computador que decide quanta energia deve consumir, são os componentes que extraem essa energia da fonte de alimentação e ela fornece o máximo possível.

Vamos desenhar uma figura (um diagrama de fiação, um esquema) para ilustrar

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

À medida que a corrente de carga aumenta, a tensão da linha de energia muda de 99,999 volts para 99,998 volts.

Observe que a resistência muito baixa da linha de energia é o motivo da tensão quase constante da linha de energia.