Um computador usa mais eletricidade ao carregar dispositivos USB?

Algo que eu sempre quis saber. Se eu ligar constantemente celulares, discos rígidos e similares via USB ao meu computador, ele consumirá mais na conta de luz? Ou as portas USB estão consumindo eletricidade apenas sendo ativadas de qualquer maneira, não afetando o uso de energia?

Resposta curta:

Um computador usa mais eletricidade ao carregar dispositivos USB?

Geralmente sim , mas não necessariamente tanto quanto você esperaria; não será energia livre , mas pode ser obtida com mais eficiência . Realmente depende da curva de eficiência da fonte de alimentação específica e do ponto em que você a está operando (e o consumo de energia é afetado pelo software):

• Se a fonte de alimentação do computador estiver sobrecarregada (por exemplo, estado inativo), adicionar mais carga aumentará levemente a eficiência de energia de todo o sistema.
• Se a fonte de alimentação do computador estiver carregada corretamente, ela estará próxima do pico de eficiência, geralmente é muito melhor do que um carregador de parede USB.
• Se a fonte de alimentação do computador já estiver sobrecarregada (o que nunca deveria acontecer), você terá problemas mais prementes do que a eficiência de energia USB.

Resposta longa:

Uma porta USB pode emitir máximos de 500mA ( USB1&2) e 950mA ( USB3) a 5V, o que fornece máximos de 2,5W ( USB1&2) e 4,75W ( USB3).

As portas USB não consomem energia sozinhas . Sem nada conectado, são apenas circuitos abertos.

Agora, se você obtiver 1A ( 5W ) de uma porta USB3, geralmente aumentará o consumo de energia global em ~ 6W (dependendo da eficiência da fonte de alimentação), o que representaria um aumento de 2% a 5% do consumo de energia do computador.

Mas, em alguns casos, pode ser diferente.

Se você der uma olhada em alguma curva de eficiência da PSU (da AnandTech ):

Você verá que a eficiência não é um valor constante, varia muito, dependendo da carga aplicada à PSU. Você verá nesse 900W PSU que, em baixa potência ( 50W a 200W ), a curva é tão acentuada que um aumento na carga implicará um aumento substancial na eficiência.

Se o aumento da eficiência for alto o suficiente, isso significa que, em alguns casos, talvez o computador não precise extrair 5W extras da tomada quando você estiver extraindo 5W extras de uma porta USB.

Vamos dar um exemplo de um computador que consome 200W em uma fonte de alimentação com uma eficiência real de 80% a 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

Agora, dependendo da curva de eficiência da PSU entre 200W e 205W , o consumo de energia relativo do dispositivo USB pode ser completamente diferente:

<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

Este é o caso simplificado usual , em que a eficiência é a mesma; portanto, o consumo de energia do dispositivo USB é equivalente a5W / 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

Nesse caso, a eficiência da PSU está aumentando entre 200W e 205W , portanto, você não pode deduzir o consumo de energia relativo do dispositivo USB sem levar em conta todo o consumo de energia do computador e verá o aumento relativo na tomada pode realmente ser inferior a 5W .

Esse comportamento ocorre apenas porque, nesse caso, o PSU está com pouca carga, portanto não é o caso usual , mas ainda é uma possibilidade prática.

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

Nesse caso, o PSU consome a mesma energia da tomada, independentemente da carga que recebe. Esse é o comportamento de um regulador zener, onde toda a energia desnecessária é dissipada no calor. É um comportamento que pode ser observado em algum tipo de PSU low-end com carga muito pequena.

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

Esse último caso, é um caso puramente hipotético , em que a PSU realmente consumiria menos energia com carga mais alta. Como o @Marcks Thomas disse, isso não é algo que você pode observar em uma fonte de alimentação prática, mas ainda é teoricamente possível e prova que a regra instintiva do TANSTAAFL nem sempre pode ser aplicada com tanta facilidade.

Conclusão :

Se você precisar carregar muitos dispositivos de 5V, é melhor fazê-lo em um computador já em execução do que em vários carregadores de parede. Não será gratuito, mas será mais eficiente.

Observe também que você pode precisar de portas USB com 1Acapacidade (por exemplo USB3) para obter a mesma velocidade de carga.

O TANSTAAFL também se aplica aqui.

Você não recebe energia por nada. Caso contrário, poderíamos simplesmente usar as portas USB para alimentar outro computador e usar o outro computador para alimentar o primeiro. É uma ideia divertida, mas não funciona.

A energia para carregar é bastante pequena. USB1 ou 2 usam 100 a 500 mAmp a 5 volts. Isso é no máximo 2½ Watt. Comparado ao consumo de energia ocioso normal de um PC, que é bastante pequeno. (Normal: 50 watts para um PC de escritório e 150 watts ociosos para um PC de ponta. E aproximadamente três vezes isso ao jogar, compilar etc etc).

Sim. É uma regra básica da física; se algo está tirando energia do seu computador, ele deve obtê-lo de algum lugar. As portas USB não consomem energia apenas por serem ativadas *, assim como uma tomada consumiria energia apenas com o interruptor "ligado" sem nada conectado.

* Tudo bem, há uma quantidade mínima de energia consumida pelo monitoramento do chip do controlador USB para ver se algo está conectado, mas é uma quantidade pequena de energia.

Sim, você está usando mais eletricidade, mas não em quantidades que farão uma enorme diferença para sua conta no final do mês.

Resposta curta:

SIM; você sempre pagará pela energia USB com pelo menos muito mais energia da parede . Isso não é apenas exigido pelas leis da termodinâmica, mas também é inerente à maneira como as fontes de alimentação funcionam.

Resposta mais longa:

Consideraremos todo o sistema do computador, sua fonte de alimentação interna, seus circuitos operacionais e os circuitos da porta USB como uma grande caixa preta chamada Suprimento. Para os fins desta ilustração, o computador inteiro é um carregador USB de grandes dimensões, com duas saídas: a energia operacional do computador, que chamaremos de PC , e a potência USB de saída, que chamaremos de Pu .

Converter energia de uma forma (tensão, corrente, frequência) para outra e conduzir energia de uma parte de um circuito para outra são todos processos físicos que são menos que perfeitos. Mesmo em um mundo ideal, com supercondutores e componentes ainda a serem inventados, o circuito não pode ser melhor que perfeito. (A importância desta mensagem sutil será a chave para esta resposta). Se você deseja 1W fora de um circuito, deve colocar pelo menos 1W e, em todos os casos práticos, um pouco mais que 1W. Um pouco mais é o poder perdido na conversão e é chamado de perda . Vamos chamar o poder de perda Pl, e está diretamente relacionado à quantidade de energia fornecida pelo suprimento. A perda é quase sempre evidente como calor, e é por isso que os circuitos eletrônicos que carregam grandes níveis de potência devem ser ventilados.

Existe alguma função matemática (uma equação), que descreve como a perda varia com a potência de saída. Esta função envolverá o quadrado da tensão ou corrente de saída onde a energia é perdida em resistência, uma frequência multiplicada pela tensão ou corrente de saída em que a energia é perdida na comutação. Mas não precisamos insistir nisso, podemos agrupar todos esses detalhes irrelevantes em um símbolo, que chamaremos de f (Po) , onde Po é a potência total de saída e é usado para relacionar a potência de saída à perda pelo equação Pl = f (Pc + Pu) .

Uma fonte de alimentação é um circuito que requer energia para operar, mesmo que não esteja fornecendo energia de saída. Os engenheiros eletrônicos chamam isso de energia quieta , e vamos nos referir a ele como Pq . A energia inativa é constante e não é afetada pela força da fonte de alimentação para fornecer a potência de saída. Neste exemplo, onde o computador está executando outras funções além de alimentar o carregador USB, incluímos a energia operacional das outras funções do computador em Pq .

Toda essa energia vem da tomada e chamaremos a energia de entrada, Pw ( Pi parece confusamente parecido com Pl , então mudei para Pw para energia na parede).

Portanto, agora estamos prontos para juntar as informações acima e obter uma descrição de como essas contribuições de poder estão relacionadas. Bem, primeiro sabemos que cada microwatt de potência, ou perda, vem da parede. Assim:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

E sabemos que Pl = f (Pc + Pu) , então:

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

Agora podemos testar a hipótese de que o consumo de energia da saída USB aumenta e a energia da parede é menor que a energia USB . Podemos formalizar essa hipótese, ver aonde ela leva e ver se prediz algo absurdo (nesse caso, a hipótese é falsa) ou prediz algo realista (nesse caso, as hipóteses permanecem plausíveis).

Podemos escrever a hipótese primeiro como:

(Energia na parede com carga USB) - (Energia na parede sem carga USB) <(energia USB)

e matematicamente como:

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

Agora, podemos simplificar isso eliminando os mesmos termos nos dois lados do sinal de menos e removendo os colchetes:

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

subtraindo Pu de ambos os lados da desigualdade (<sinal):

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

Aqui está o nosso absurdo. O que esse resultado significa em inglês simples é:

A perda extra envolvida em obter mais energia do suprimento é negativa

Isso significa resistores negativos, tensões negativas caídas nas junções de semicondutores ou potência magicamente aparecendo nos núcleos dos indutores. Tudo isso é bobagem, contos de fadas, desejos de máquinas de movimento perpétuo e é absolutamente impossível.

Conclusão:

Não é fisicamente possível, teoricamente ou de outro modo, obter energia da porta USB de um computador, com menos da mesma quantidade de energia extra saindo da tomada.

O que @zakinster perdeu?

Com o maior respeito por @zakinster, ele entendeu mal a natureza da eficiência. A eficiência é uma conseqüência da relação entre potência de entrada, perda e potência de saída, e não uma quantidade física para a qual a potência de entrada, perda e potência de saída são consequências.

Para ilustrar, vamos considerar o caso de uma fonte de alimentação com uma potência máxima de saída de 900W, perdas dadas por Pl = APo² + BPo onde A = 10 ^ -4 e B = 10 ^ -2 e Pq = 30W. A modelagem da eficiência ( Po / Pi ) de uma fonte de alimentação no Excel e a representação gráfica em uma escala semelhante à curva Anand Tech, fornece:

Esse modelo tem uma curva inicial muito íngreme, como a fonte Anand Tech, mas é modelado inteiramente de acordo com a análise acima, o que torna a energia livre absurda.

Vamos pegar esse modelo e examinar os exemplos que o @zakinster fornece nos casos 2 e 3. Se mudarmos Pq para 50W e tornar o suprimento perfeito , com perda zero, podemos obter 80% de eficiência com carga de 200W. Mas mesmo nessa situação perfeita, o melhor que podemos obter a 205W é uma eficiência de 80,39%. Para alcançar os 80,5% sugeridos pelo @zakinster, uma possibilidade prática requer uma função de perda negativa, o que é impossível. E atingir 82% de eficiência é ainda mais impossível.

Para um resumo, consulte a resposta curta acima.

É possível que um computador possa consumir a mesma energia enquanto carrega dispositivos, como quando não carrega dispositivos (todos os demais são iguais, como a carga da CPU). As leis da física, como o princípio da conservação de energia, não oferecem nenhuma garantia de que isso não possa acontecer.

Para que isso aconteça, o computador precisaria desperdiçar energia quando os dispositivos não estiverem conectados, de modo que, quando estiverem conectados, a energia desperdiçada será redirecionada para eles e, assim, utilizada.

Os projetistas eletrônicos teriam que se esforçar para criar um projeto tão inútil, mas é possível. Um circuito que consome exatamente a mesma quantidade de energia, esteja ou não carregando uma ou mais baterias, é mais difícil de projetar do que um que consome energia proporcionalmente ao trabalho de carregamento, e o resultado é um dispositivo inútil que ninguém deseja.

Na realidade, os projetistas buscam reguladores de tensão prontos para fornecer energia aos componentes da placa-mãe. Os reguladores de tensão têm a propriedade de que, quanto menos carregados, menos energia eles consomem no geral e menos desperdiçam internamente. (Os reguladores lineares desperdiçam mais, trocam menos, mas ambos consomem menos quando menos carregados.)

Qualquer coisa no sistema que é desligada contribui com alguma economia de energia: porta Ethernet desligada, transmissor Wi-Fi desligado, disco desmembrado, CPU adormecida ou porta USB que não está fornecendo corrente. A economia é dupla: primeiro, o subsistema em si não usa energia e, em segundo lugar, menos energia é desperdiçada a montante como dissipação de calor na cadeia de fornecimento de energia.

Sim. É física básica (termodinâmica). Da mesma forma, carregar o telefone no carro consome um pouco mais de gasolina. Outro exemplo são os relógios cinéticos: você precisa comer um pouco mais de comida porque usa um relógio cinético! Provavelmente é imensurável, mas a lei da conservação de energia exige isso. Energia não pode ser criada ou destruída.