¿Cómo los dispositivos / dispositivos consumen más corriente cuando es necesario?

Supongamos que tengo una computadora de escritorio y decido hacer algo que requiera más potencia de procesamiento. En este caso, mi computadora consumirá más corriente para aumentar la potencia. ¿Cómo se realiza este aumento en la corriente? ¿Mi computadora abre más circuitos paralelos para que disminuya la resistencia total? o tienen potenciómetro electrónico o algo completamente diferente. ¿La técnica utilizada en una computadora de escritorio es la misma que si estuviera cambiando la temperatura del horno?

Cualquier ayuda es muy apreciada.

Decido hacer algo que requiera más potencia de procesamiento. En este caso, mi computadora consumirá más corriente para aumentar la potencia.

Al revés: la computadora hará más cosas y, como resultado, consumirá más energía.

¿Mi computadora abre más circuitos paralelos para que disminuya la resistencia total?

Esto es más o menos cierto. Excepto que las computadoras realmente no funcionan con flujo de corriente continuo , operan en ráfagas impulsadas por su reloj interno; cada acción implica extraer algo de corriente para encender un transistor o hundir algo de corriente para apagarlo nuevamente. Veces mil millones de transistores, mil millones de veces por segundo. Más computación involucra más transistores.

En un nivel alto, sí, tiene razón en que la computadora abre más transistores o al menos conmuta más transistores cuando consume más corriente. Por ejemplo, si tiene un multiplicador de hardware y generalmente no lo usa, los transistores en el multiplicador no se encenderán y, por lo tanto, no consumirán mucha corriente. Si el código ahora solicita una multiplicación, los transistores en él comienzan a cambiar y eso reducirá la resistencia entre VDD y tierra. Esto atraerá más corriente. El consumo de corriente reducirá el voltaje VDD. Ahora el regulador de voltaje de conmutación detectará esta caída de voltaje y se activará en un ciclo de trabajo más alto para permitir una alta capacidad de corriente y aproximadamente un voltaje constante.

A un nivel alto y amplio, los circuitos solicitan más corriente al reducir su resistencia porque la mayoría de los circuitos funcionan con una fuente de voltaje constante.

Las computadoras modernas usan puertas lógicas que están diseñadas para usar muy poca energía cuando están en un estado estable, pero que requieren una explosión de energía para cambiarlas de un estado a otro.

Si la computadora está inactiva, el procesador estará en estado de suspensión durante la mayor parte del tiempo. La mayoría de los circuitos no harán nada, por lo que consumen poca energía. Lo mismo ocurre con otros componentes, como la GPU de la tarjeta gráfica.

Si luego le das algo que hacer, de repente está realizando más trabajo. Las puertas se encienden y apagan con mayor frecuencia, por lo que toman más energía.

Además, muchas computadoras, especialmente las portátiles, están diseñadas para apagar secciones enteras de la computadora si no se utilizan. Por ejemplo, la cámara web de una computadora portátil se apagará hasta que abra una aplicación que la use.

Existen varios mecanismos para el consumo de energía a nivel de chip.

Cuando los circuitos cambian, hay condensadores parásitos internos en todos los transistores e interconexiones (internamente en los chips y externamente). Estos condensadores deben cargarse y descargarse cuando los nodos del circuito se cambian de apagado a encendido (o de encendido a apagado). Los condensadores son pequeños, pero cuando tienes miles de millones de ellos cambiando miles de millones de veces por segundo, se acumula. (esta potencia se disipa en realidad por la resistencia del elemento del circuito, incluida la resistencia parásita en los condensadores parásitos)

Todos los elementos del circuito también tienen resistencia, por lo que el flujo de corriente en cualquier parte de los circuitos crea calor y consume energía. A medida que los nodos del circuito cambian, los condensadores parásitos en los dispositivos del lado de la carga tienen que cambiarse o descargarse y esto requiere un flujo de corriente que, a su vez, genera calor y consume energía.

El consumo de energía asociado con estos dos efectos varía según el número de operaciones de conmutación de nodos internos, lo que significa que el consumo de energía varía según la actividad (y la velocidad del reloj) del procesador y otros elementos.

Los transistores y otros componentes dentro de los circuitos integrados también tienen fugas de corriente. Esto crea un consumo de energía de referencia (estático) que todavía ocurre cuando el procesador está inactivo. Muchos sistemas modernos de baja potencia desconectan la alimentación de subsistemas completos en el procesador y otros chips durante la suspensión o los estados inactivos para minimizar este consumo de energía estática.

Existen otros mecanismos de consumo de energía en las computadoras (suministro de energía de reposo, etc.), pero estos deberían ayudarlo a comprender por qué el consumo de energía varía y por qué todavía hay algo de consumo de energía cuando no se realiza ningún trabajo.

Los diferentes circuitos integrados de la computadora tendrán un consumo de corriente diferente. Aquí hay algunos datos del Atmega328P, un microcontrolador simple de 8 bits y 16 MHz utilizado en el Arduino Uno y otras placas similares.

Los diferentes circuitos integrados de la computadora tendrán un consumo de corriente diferente. Aquí hay algunos datos del Atmega328P, un microcontrolador simple de 8 bits y 16 MHz utilizado en el Arduino Uno y otras placas similares.

Ejemplo: Calcule el consumo de corriente esperado en modo inactivo con TIMER1, ADC y SPI habilitados a VCC = 2.0V y F = 1MHz. De la tabla Consumo de corriente adicional (porcentaje) en modo activo e inactivo en la sección anterior, tercera columna, vemos que necesitamos agregar 14.5% para el TEMPORIZADOR1, 22.1% para el ADC y 15.7% para el módulo SPI. Leyendo de la Figura Corriente de suministro inactiva versus baja frecuencia (0.1-1.0MHz), encontramos que el consumo de corriente inactiva es ~ 0.045mA a VCC = 2.0V y F = 1MHz. El consumo de corriente total en modo inactivo con TIMER1, ADC y SPI habilitado, da: ICCtotal ≃ 0.045 mA⋅ (1 + 0.145 + 0.221 + 0.157) ≃ 0.069 mA

(Ayuda a tener la hoja de datos abierta para ver las diferentes tablas).

Para una computadora, funciona a 3.2 GHz (200 veces más rápido) y quizás a un voltaje lógico central de 1.8V (y 4 u 8 núcleos para subprocesos múltiples), voltaje de 3.3V IO, hablando con memoria y chips de video y controlador de disco duro y USB controladores y ethernet o controlador inalámbrico, los cálculos serían similares, con cada chip agregando su propia cantidad al total. Puede ver por qué el procesador de la computadora tiene un gran disipador de calor en la parte superior con un ventilador que sopla aire sobre él.

Lo que está sucediendo es que la computadora no aumenta la entrada de energía, sino que la computadora consume más energía disponible. Cada parte de su computadora tiene pequeños transistores que actúan como interruptores. Para mantenerlos abiertos o cambiar su estado se requiere un poco de poder.

Al agregar componentes mejores o más complejos, la energía requerida para cambiar estos transistores aumenta porque hay más. Por supuesto, hay más factores, como el tamaño del transistor, las fugas, etc., pero en el nivel más básico, esto es lo que sucede.

También hay un límite para la cantidad de energía que se puede entregar, generalmente determinada por su fuente de alimentación. Como analogía, imagine esto: cuando está en bicicleta, tiene que ponerle una cierta cantidad de energía. Ahora obtienes una bicicleta nueva con mejores ruedas, pero esto requiere que le pongas más fuerza. No son las ruedas las que "piden" más potencia. Es solo que se requiere para moverse y seguir adelante. Por supuesto, también hay un límite en la cantidad de energía que puede poner antes de que resulte ser demasiado. Si continúas, te duele los músculos.

En una computadora, si se consume demasiada energía, se vuelve inestable, del mismo modo que no podrá seguir usando una bicicleta que cuesta demasiada energía para moverse. En resumen, no es la computadora la que decide cuánta energía debería consumir, son los componentes los que extraen esta energía de la fuente de alimentación y ofrece la mayor cantidad posible.

Dibujemos una imagen (un diagrama de cableado, un esquema) para ilustrar

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

A medida que aumenta la corriente de carga, el voltaje de la línea de alimentación cambia, de 99.999 voltios a 99.998 voltios.

Observe que la muy baja resistencia de la línea de alimentación es la razón del voltaje casi constante de la línea de alimentación.