คอมพิวเตอร์ใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่านี้เมื่อทำการชาร์จอุปกรณ์ USB หรือไม่?

สิ่งที่ฉันสงสัยมาตลอด หากฉันต่อโทรศัพท์มือถือฮาร์ดไดรฟ์และสิ่งที่ชอบผ่าน USB เข้ากับคอมพิวเตอร์ของฉันตลอดเวลามันจะกินมากขึ้นในค่าไฟฟ้าหรือไม่ หรือพอร์ต USB นั้นใช้พลังงานไฟฟ้าเพียงแค่เปิดใช้งานอยู่ดังนั้นจึงไม่ส่งผลกระทบต่อการใช้พลังงานหรือไม่

คำตอบสั้น ๆ :

คอมพิวเตอร์ใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่านี้เมื่อทำการชาร์จอุปกรณ์ USB หรือไม่?

โดยทั่วไปแล้วใช่แต่ไม่จำเป็นต้องมากเท่าที่คุณคาดหวัง มันจะไม่เป็นอำนาจฟรีแต่มันอาจจะได้รับมีประสิทธิภาพมากขึ้น จริงๆมันขึ้นอยู่บนเส้นโค้งที่มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งแหล่งจ่ายไฟและจุดที่คุณมีการดำเนินงานได้ที่ (และการใช้พลังงานที่จะได้รับผลกระทบโดยซอฟต์แวร์):

• หากแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์ของคุณมีปริมาณน้อยเกินไป (เช่นสถานะว่าง) การเพิ่มโหลดมากขึ้นจะเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานสำหรับทั้งระบบเล็กน้อย
• หากแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์ของคุณโหลดอย่างถูกต้องจะอยู่ใกล้กับประสิทธิภาพสูงสุดโดยทั่วไปจะดีกว่าที่ชาร์จ USB แบบติดผนัง
• หากแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์ของคุณโอเวอร์โหลดอยู่แล้ว (ซึ่งไม่ควรเกิดขึ้น) คุณมีปัญหาเรื่องการบีบอัดมากกว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงาน USB

คำตอบยาว:

พอร์ต USB สามารถส่งออกสูงสุด500mA ( USB1&2) และ950mA ( USB3) ที่5Vซึ่งให้สูงสุด2.5W ( USB1&2) และ4.75W ( USB3)

พอร์ต USB ไม่ใช้พลังงานด้วยตัวเอง พวกเขาเป็นเพียงวงจรเปิด

ตอนนี้ถ้าคุณได้รับ1A ( 5W ) จากพอร์ต USB3 มันจะเพิ่มการใช้พลังงานทั่วโลกโดย ~ 6W (ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟของคุณ) ซึ่งจะเพิ่มขึ้น 2% ถึง 5% ของการใช้พลังงานคอมพิวเตอร์ของคุณ

แต่ในบางกรณีอาจแตกต่างกัน

ถ้าคุณดูที่กราฟประสิทธิภาพของPSU (จากAnandTech ):

คุณจะเห็นว่าประสิทธิภาพไม่ได้เป็นค่าคงที่มันแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับโหลดที่ใช้กับ PSU คุณจะเห็นว่า900W PSU นั้นที่พลังงานต่ำ ( 50Wถึง200W ) เส้นโค้งนั้นสูงชันมากจนการเพิ่มขึ้นของโหลดจะเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมาก

หากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นสูงพอก็อาจหมายความว่าในบางกรณีคอมพิวเตอร์ของคุณอาจไม่จำเป็นต้องดึงปลั๊กไฟเพิ่มอีก5Wจากเต้าจ่ายไฟเมื่อคุณวาดอีก5Wจากพอร์ต USB

ลองยกตัวอย่างคอมพิวเตอร์วาดภาพ200Wบน PSU ด้วยประสิทธิภาพจริง80%ที่200W :

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

ตอนนี้ขึ้นอยู่กับเส้นโค้งประสิทธิภาพของ PSU ระหว่าง200Wและ205Wการใช้พลังงานสัมพัทธ์ของอุปกรณ์ USB อาจแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง:

<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

นี่เป็นกรณีที่ง่ายกว่าปกติซึ่งมีประสิทธิภาพเหมือนกันดังนั้นการใช้พลังงานของอุปกรณ์ USB จึงเทียบเท่า5W / 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

ในกรณีนี้ประสิทธิภาพ PSU เพิ่มขึ้นระหว่าง200Wและ205Wดังนั้นคุณจึงไม่สามารถสรุปการใช้พลังงานสัมพัทธ์ของอุปกรณ์ USB ได้โดยไม่ต้องคำนึงถึงการสิ้นเปลืองพลังงานของคอมพิวเตอร์ทั้งหมดและคุณจะเห็นการเพิ่มขึ้นที่ซ็อกเก็ตผนัง จริงอาจจะต่ำกว่า5W

พฤติกรรมนี้เกิดขึ้นเพราะในกรณีนี้ PSU นั้นมีการโหลดน้อยเกินไปดังนั้นจึงไม่ใช่กรณีปกติแต่ก็ยังมีความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติ

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

ในกรณีนี้ PSU จะดึงพลังงานเดียวกันจากเต้ารับบนผนังไม่ว่าจะรับสิ่งใดก็ตาม นี่คือพฤติกรรมของเครื่องปรับความดันซีเนอร์ซึ่งพลังงานที่ไม่จำเป็นทั้งหมดถูกกระจายไปสู่ความร้อน มันเป็นพฤติกรรมที่สามารถสังเกตเห็นได้ใน PSU แบบโลว์เอนด์บางชนิดที่โหลดน้อยมาก

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

กรณีสุดท้ายนั้นเป็นกรณีสมมุติอย่างแท้จริงที่ PSU จะใช้พลังงานน้อยลงเมื่อโหลดสูงขึ้น ดังที่@Marcks Thomasกล่าวว่านี่ไม่ใช่สิ่งที่คุณสามารถสังเกตได้จากแหล่งจ่ายไฟที่ใช้งานได้จริง แต่ก็ยังเป็นไปได้ในทางทฤษฎีและพิสูจน์ได้ว่ากฎTANSTAAFLที่ใช้สัญชาตญาณไม่สามารถใช้ได้อย่างง่ายดาย

สรุป :

หากคุณต้องการที่จะชาร์จอุปกรณ์ 5V จำนวนมากจะเป็นการดีกว่าถ้าจะทำจากคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานอยู่แล้วดีกว่าเครื่องชาร์จแบบติดผนังหลายตัว มันจะไม่ฟรี แต่มันจะมีประสิทธิภาพมากขึ้น

โปรดทราบว่าคุณอาจต้องใช้พอร์ต USB ที่มี1Aความสามารถ (เช่นUSB3) เพื่อให้ได้ความเร็วในการชาร์จเท่ากัน

TANSTAAFLยังใช้ที่นี่

คุณไม่ได้รับพลังอะไรเลย มิฉะนั้นเราสามารถใช้พอร์ต USB เพื่อจ่ายไฟให้กับคอมพิวเตอร์เครื่องอื่นและใช้คอมพิวเตอร์อีกเครื่องเพื่อจ่ายไฟให้กับคอมพิวเตอร์เครื่องแรก มันเป็นความคิดที่สนุก แต่มันไม่ได้ผล

พลังงานสำหรับการชาร์จนั้นค่อนข้างเล็ก USB1 หรือ 2 ใช้ 100 ถึง 500 mAmp ที่ 5 โวลต์ นั่นคือสูงสุด2½วัตต์ เมื่อเทียบกับกำลังไฟปกติของพีซีที่มีขนาดเล็ก (ปกติ: 50 วัตต์สำหรับพีซีในสำนักงานถึง 150 วัตต์ไม่ได้ใช้งานสำหรับพีซีระดับไฮเอนด์และประมาณสามเท่าเมื่อเล่นเกมคอมไพล์และอื่น ๆ )

ใช่. มันเป็นกฎพื้นฐานของฟิสิกส์ หากมีอะไรบางอย่างที่ใช้พลังงานออกไปจากคอมพิวเตอร์ของคุณคอมพิวเตอร์ของคุณจะต้องได้รับพลังงานจากที่อื่น พอร์ต USB จะไม่ใช้พลังงานเพียงแค่เปิดใช้งาน * ยิ่งไปกว่านั้นเต้าเสียบไฟฟ้าจะใช้พลังงานเพียงแค่เปิดสวิตช์ "เปิด" โดยไม่ต้องเสียบปลั๊ก

* เอาล่ะมีการใช้พลังงานในปริมาณเล็กน้อยโดยการตรวจสอบชิปคอนโทรลเลอร์ USB เพื่อดูว่ามีบางอย่างเสียบอยู่หรือไม่ แต่นั่นเป็นพลังงานเล็กน้อย

ใช่คุณกำลังใช้ไฟฟ้ามากขึ้น แต่ไม่ใช่ในจำนวนที่จะสร้างความแตกต่างอย่างมากต่อค่าของคุณเมื่อสิ้นเดือน

คำตอบสั้น ๆ :

ใช่; คุณจะมักจะจ่ายสำหรับไฟ USB ที่มีอำนาจอย่างน้อยที่มากขึ้นจากผนัง สิ่งนี้ไม่เพียงต้องการตามกฎของอุณหพลศาสตร์เท่านั้น แต่ยังมีอยู่ในวิธีการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์

คำตอบอีกต่อไป:

เราจะนำคอมพิวเตอร์ทั้งระบบแหล่งจ่ายไฟภายในวงจรการดำเนินงานและวงจรพอร์ต USB ไปเป็นกล่องดำขนาดใหญ่ที่เรียกว่าซัพพลาย สำหรับวัตถุประสงค์ของตัวอย่างนี้, คอมพิวเตอร์ทั้งหมดเป็นหนึ่งชาร์จ USB ขนาดใหญ่ที่มีสองเอาท์พุท: พลังปฏิบัติการของคอมพิวเตอร์ซึ่งเราจะเรียกชิ้นและอำนาจออก USB ซึ่งเราจะเรียกปู่

การแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่ง (แรงดันไฟฟ้ากระแสความถี่) ไปยังอีกรูปแบบหนึ่งและนำพลังงานจากส่วนหนึ่งของวงจรหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งเป็นกระบวนการทางกายภาพทั้งหมดซึ่งน้อยกว่าที่สมบูรณ์แบบ แม้แต่ในโลกในอุดมคติด้วยตัวนำยิ่งยวดและส่วนประกอบที่คิดค้นได้วงจรก็ไม่สามารถสมบูรณ์แบบได้ (ความสำคัญของข้อความที่ละเอียดอ่อนนี้จะกลายเป็นกุญแจสำคัญในคำตอบนี้) ถ้าคุณต้องการ 1W ออกจากวงจรคุณต้องใส่อย่างน้อย 1W และในกรณีที่ใช้งานได้จริงทั้งหมดจะน้อยกว่า 1W ที่มากขึ้นอีกนิดเป็นอำนาจที่สูญเสียไปในการแปลงและจะเรียกว่าการสูญเสีย เราจะเรียกการสูญเสียพลังงานPlและเกี่ยวข้องโดยตรงกับปริมาณพลังงานที่ส่งมอบโดยแหล่งจ่าย การสูญเสียมักจะเห็นได้ชัดว่าเป็นความร้อนและเป็นสาเหตุที่วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีระดับพลังงานสูงต้องมีการระบายอากาศ

มีฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์ (สมการ) ซึ่งอธิบายว่าการสูญเสียแตกต่างกันอย่างไรกับกำลังขับ ฟังก์ชั่นนี้จะเกี่ยวข้องกับกำลังสองของเอาต์พุตหรือกระแสที่กำลังสูญเสียความต้านทานความถี่คูณด้วยแรงดันเอาต์พุตหรือกระแสที่กำลังสูญเสียในการสลับ แต่เราไม่จำเป็นต้องอยู่บนนั้นเราสามารถห่อรายละเอียดที่ไม่เกี่ยวข้องทั้งหมดไว้ในสัญลักษณ์เดียวซึ่งเราจะเรียกว่าf (Po)โดยที่Poคือกำลังงานทั้งหมดและใช้เพื่อเชื่อมโยงกำลังงานออกไปถึงการสูญเสียโดย สมPl = f (PC + ปู)

แหล่งจ่ายไฟเป็นวงจรที่ต้องใช้พลังงานในการทำงานแม้ว่าจะไม่มีการส่งออกพลังงานเลย วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์นี้เรียกนิ่งอำนาจและเราจะเรียกมันว่าPq พลังงานนิ่งเป็นค่าคงที่และไม่ได้รับผลกระทบใด ๆ จากแหล่งจ่ายกำลังที่ทำงานอย่างหนักเพื่อส่งมอบกำลังขับ ในตัวอย่างนี้ที่ใช้คอมพิวเตอร์มีประสิทธิภาพฟังก์ชั่นอื่น ๆ นอกเหนือจากการเปิดเครื่องชาร์จ USB ที่เรารวมถึงอำนาจการดำเนินงานของฟังก์ชั่นอื่น ๆ ของคอมพิวเตอร์ในPq

พลังงานทั้งหมดนี้มาจากเต้ารับติดผนังและเราจะเรียกว่ากำลังไฟฟ้าเข้า ( Pw , ( Piดูน่าสับสนเหมือนPlดังนั้นฉันจึงเปลี่ยนมาใช้Pwเป็นกำแพงกำลังไฟฟ้า)

ดังนั้นตอนนี้เราพร้อมที่จะรวบรวมสิ่งต่างๆข้างต้นเข้าด้วยกันและรับรายละเอียดเกี่ยวกับการมีส่วนร่วมของพลังเหล่านี้ ก่อนอื่นเรารู้ว่าทุก ๆ microwatt ของการส่งออกพลังงานหรือการสูญเสียมาจากกำแพง ดังนั้น:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

และเรารู้ว่าPl = f (Pc + Pu)ดังนั้น:

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

ตอนนี้เราสามารถทดสอบสมมติฐานที่ว่าการใช้พลังงานจาก USB เพิ่มขึ้นของการส่งออกแล้วผนังพลังงานโดยใช้พลังงานน้อยกว่า เราสามารถทำให้สมมติฐานนี้เป็นระเบียบดูว่ามันนำไปสู่ที่ไหนและดูว่ามันทำนายอะไรบางอย่างที่ไร้สาระหรือไม่ (ในกรณีนี้สมมุติฐานนั้นเป็นเท็จ) หรือทำนายสิ่งที่เป็นจริง

เราสามารถเขียนสมมติฐานแรกเป็น:

(กำลังไฟติดผนังที่มีภาระ USB) - (กำลังไฟที่ผนังโดยไม่โหลด USB) <(กำลังไฟ USB)

และทางคณิตศาสตร์เป็น:

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

ตอนนี้เราสามารถทำให้สิ่งนี้ง่ายขึ้นโดยการกำจัดคำศัพท์เดียวกันทั้งสองด้านของเครื่องหมายลบและลบวงเล็บ:

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

จากนั้นลบPuจากทั้งสองด้านของความไม่เท่าเทียมกัน (<sign):

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

นี่คือความไร้สาระของเรา ผลลัพธ์นี้มีความหมายว่าอะไรในภาษาอังกฤษธรรมดา:

การสูญเสียพิเศษที่เกี่ยวข้องในการใช้พลังงานมากขึ้นจากอุปทานเป็นลบ

ซึ่งหมายความว่าตัวต้านทานเชิงลบแรงดันลบลดลงข้ามทางแยกเซมิคอนดักเตอร์หรือพลังงานอย่างน่าอัศจรรย์ที่ปรากฏจากแกนของตัวเหนี่ยวนำ ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องไร้สาระเทพนิยายการคิดถึงเครื่องเคลื่อนไหวตลอดกาลและเป็นไปไม่ได้อย่างแน่นอน

สรุป:

มันอาจเป็นไปไม่ได้ในทางทฤษฎีหรืออย่างอื่นที่จะได้รับพลังงานออกจากพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์โดยมีพลังงานพิเศษน้อยกว่าจำนวนเดียวกันที่มาจากเต้ารับติดผนัง

@zakinster พลาดอะไรไป

ด้วยความเคารพอย่างยิ่งต่อ @zakinster เขาได้เข้าใจธรรมชาติของประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพเป็นผลมาจากความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าเข้าการสูญเสียและกำลังขับและไม่ใช่ปริมาณทางกายภาพที่กำลังไฟฟ้าเข้าการสูญเสียและกำลังขับเป็นผลที่ตามมา

เพื่อแสดงให้เห็นถึงกรณีของแหล่งจ่ายไฟที่มีกำลังขับสูงสุด 900W การสูญเสียที่กำหนดโดยPl = APo² + BPo โดยที่ = 10 ^ -4 และ B = 10 ^ -2 และ Pq = 30W การสร้างแบบจำลองประสิทธิภาพ ( Po / Pi ) ของแหล่งจ่ายไฟใน Excel และสร้างกราฟในระดับที่คล้ายกับเส้นโค้ง Anand Tech ให้:

รุ่นนี้มีเส้นโค้งเริ่มต้นที่ชันมากเช่นเดียวกับอุปทานของอานันท์เทค แต่ได้รับการจำลองโดยสิ้นเชิงตามการวิเคราะห์ข้างต้นซึ่งทำให้เกิดพลังงานที่ไร้สาระ

ลองใช้โมเดลนี้และดูตัวอย่างที่ @zakinster มอบให้ในกรณีที่ 2 และกรณีที่ 3 หากเราเปลี่ยนPqเป็น 50W และทำให้แหล่งจ่ายสมบูรณ์แบบโดยไม่มีการสูญเสียศูนย์เราจะได้รับประสิทธิภาพ 80% ที่โหลด 200W แต่แม้ในสถานการณ์ที่สมบูรณ์แบบนี้สิ่งที่ดีที่สุดที่เราสามารถทำได้ที่ 205W คือประสิทธิภาพ 80.39% ในการเข้าถึง 80.5% @zakinster แนะนำว่าเป็นไปได้ในทางปฏิบัติต้องใช้ฟังก์ชั่นการสูญเสียเชิงลบซึ่งเป็นไปไม่ได้ และการบรรลุประสิทธิภาพ 82% ก็ยังเป็นไปไม่ได้มากขึ้น

สำหรับการสรุปโปรดดูคำตอบสั้น ๆด้านบน

เป็นไปได้ว่าคอมพิวเตอร์สามารถดึงพลังงานเดียวกันในขณะที่ชาร์จอุปกรณ์เช่นเมื่อไม่ชาร์จอุปกรณ์ (ทุกอย่างเท่ากันเช่นโหลด CPU) กฎของฟิสิกส์เช่นเดียวกับหลักการอนุรักษ์พลังงานไม่รับประกันว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น

เพื่อที่จะเกิดขึ้นคอมพิวเตอร์จะต้องสิ้นเปลืองพลังงานเมื่อไม่ได้เสียบปลั๊กอุปกรณ์เช่นเมื่อเสียบปลั๊กแล้วพลังงานที่สูญเสียไปจะถูกเปลี่ยนเส้นทางไปยังอุปกรณ์เหล่านั้น

นักออกแบบอิเล็กทรอนิกส์จะต้องพยายามหลีกเลี่ยงการออกแบบที่สิ้นเปลือง แต่ก็เป็นไปได้ วงจรที่ใช้พลังงานในปริมาณเท่ากันไม่ว่าจะกำลังชาร์จแบตเตอรี่หนึ่งหรือมากกว่านั้นก็ยากที่จะออกแบบมากกว่าวงจรที่ดึงพลังงานตามสัดส่วนของการชาร์จและผลที่ได้คืออุปกรณ์สิ้นเปลืองที่ไม่มีใครต้องการ

ในความเป็นจริงแล้วผู้ออกแบบเข้าถึงตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบ off-the-shelf เพื่อจ่ายพลังงานให้กับส่วนประกอบของเมนบอร์ด ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ามีคุณสมบัติที่มีการโหลดน้อยลงกำลังไฟน้อยลงโดยรวมและน้อยกว่าที่สูญเสียภายใน (เร็คกูเลเตอร์เชิงเส้นเสียมากกว่าสลับคนน้อยลง แต่ทั้งคู่กินน้อยลงเมื่อโหลดน้อย)

ทุกอย่างในระบบที่ใช้พลังงานลดลงช่วยให้ประหยัดพลังงานสุทธิ: ปิดพอร์ตอีเธอร์เน็ต, ปิดเครื่องส่งสัญญาณ Wi-Fi, ปั่นดิสก์ลง, CPU หลับหรือพอร์ต USB ที่ไม่ส่งกระแสไฟ การประหยัดเป็นสองเท่า: ประการแรกระบบย่อยของตัวเองไม่ได้ใช้พลังงานและประการที่สองพลังงานน้อยกว่าจะถูกทำให้สิ้นเปลืองเนื่องจากการระบายความร้อนในห่วงโซ่อุปทาน

ใช่. มันเป็นฟิสิกส์พื้นฐาน (อุณหพลศาสตร์) ในทำนองเดียวกันการชาร์จโทรศัพท์ของคุณในรถยนต์ใช้น้ำมันเบนซินเล็กน้อย อีกตัวอย่างหนึ่งคือนาฬิกา kinetic: คุณต้องกินอาหารเพิ่มขึ้นอีกนิดเพราะคุณสวมนาฬิกา kinetic! มันอาจจะไม่สามารถวัดได้ แต่กฎการอนุรักษ์พลังงานเรียกร้องมัน พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้