¿Una computadora usa más electricidad al cargar dispositivos USB?

Algo que siempre me he preguntado. Si conecto constantemente teléfonos celulares, discos duros y similares a través de USB a mi computadora, ¿se consumirá más en la factura de electricidad? ¿O los puertos USB están utilizando electricidad simplemente habilitándose de todos modos, sin afectar el uso de energía?

Respuesta corta:

¿Una computadora usa más electricidad al cargar dispositivos USB?

Generalmente sí , pero no necesariamente tanto como cabría esperar; no será energía libre , pero podría obtenerse de manera más eficiente . Realmente depende de la curva de eficiencia de la fuente de alimentación en particular y del punto en el que la está operando (y el consumo de energía se ve afectado por el software):

• Si la fuente de alimentación de su computadora está subcargada (por ejemplo, en estado inactivo), agregar más carga aumentará ligeramente la eficiencia de energía para todo el sistema.
• Si la fuente de alimentación de su computadora está cargada correctamente, estará cerca de su máxima eficiencia y generalmente es mucho mejor que un cargador de pared USB.
• Si la fuente de alimentación de su computadora ya está sobrecargada (lo que nunca debería suceder), tiene problemas más acuciantes que la eficiencia de energía del USB.

Respuesta larga:

Un puerto USB puede generar un máximo de 500 mA ( USB1&2) y 950 mA ( USB3) a 5 V, lo que da un máximo de 2.5 W ( USB1&2) y 4.75 W ( USB3).

Los puertos USB no consumen energía por sí mismos . Sin nada enchufado, son solo circuitos abiertos.

Ahora, si obtiene 1A ( 5W ) de un puerto USB3, generalmente aumentará el consumo de energía global en ~ 6W (dependiendo de la eficiencia de su fuente de alimentación), lo que representaría un aumento del 2% al 5% del consumo de energía de su computadora.

Pero, en algunos casos, puede ser diferente.

Si observa alguna curva de eficiencia de PSU (de AnandTech ):

Verá que la eficiencia no es un valor constante, varía mucho dependiendo de la carga aplicada a la fuente de alimentación. Verá en esa fuente de alimentación de 900W que a baja potencia ( 50W a 200W ), la curva es tan empinada que un aumento en la carga implicará un aumento sustancial en la eficiencia.

Si el aumento en la eficiencia es lo suficientemente alto, significaría que, en algunos casos, es posible que su computadora no necesite extraer 5 W adicionales del enchufe de la pared cuando extraiga 5 W adicionales de un puerto USB.

Tomemos un ejemplo de una computadora que dibuja 200W en una fuente de alimentación con una eficiencia real del 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

Ahora, dependiendo de la curva de eficiencia de la fuente de alimentación entre 200W y 205W , el consumo de energía relativo del dispositivo USB puede 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 es el caso simplificado habitual , donde la eficiencia es la misma, por lo tanto, el consumo de energía del dispositivo USB es 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

En este caso, la eficiencia de la fuente de alimentación aumenta entre 200W y 205W , por lo que no puede deducir el consumo de energía relativo del dispositivo USB sin tener en cuenta el consumo de energía de la computadora, y verá el aumento relativo en la toma de corriente en realidad puede ser inferior a 5W .

Este comportamiento solo ocurre porque, en ese caso, la fuente de alimentación está subcargada, por lo que no es el caso habitual , pero sigue siendo una posibilidad práctica.

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

En este caso, la fuente de alimentación extrae la misma potencia de la toma de corriente, sea cual sea la carga que recibe. Este es el comportamiento de un regulador Zener donde toda la energía innecesaria se disipa en calor. Es un comportamiento que se puede observar en algún tipo de PSU de gama baja con una carga muy pequeña.

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

Ese último caso, es un caso puramente hipotético en el que la fuente de alimentación realmente consumiría menos energía a una carga más alta. Como dijo @Marcks Thomas , esto no es algo que se pueda observar desde una fuente de alimentación práctica, pero aún es teóricamente posible y demuestra que la regla instintiva TANSTAAFL no siempre se puede aplicar tan fácilmente.

conclusión :

Si necesita cargar muchos dispositivos de 5V, es mejor hacerlo desde una computadora que ya está funcionando que desde múltiples cargadores de pared. No será gratis pero será más eficiente.

También tenga en cuenta que puede necesitar puertos USB con 1Acapacidad (por ejemplo USB3) para obtener la misma velocidad de carga.

TANSTAAFL también se aplica aquí.

No obtienes poder por nada. De lo contrario, podríamos usar los puertos USB para alimentar otra computadora y usar la otra computadora para alimentar la primera. Es una idea divertida, pero no funciona.

Sin embargo, la energía para cargar es bastante pequeña. USB1 o 2 usan 100 a 500 mAmp a 5 voltios. Eso es un máximo de 2½ vatios. En comparación con el consumo de energía inactivo normal de una PC que es bastante pequeña. (Normal: 50 vatios para una PC de oficina a 150 vatios inactivo para una PC de gama alta. Y aproximadamente tres veces eso cuando se juega, compila, etc., etc.).

Si. Es una regla básica de la física; Si algo le quita energía a su computadora, su computadora debe obtener esa energía de algún lado. Los puertos USB no consumen energía solo al estar habilitados *, al igual que una toma de corriente no consumiría energía simplemente con el interruptor "encendido" sin nada enchufado.

* Bien, hay una cantidad mínima de energía consumida por el monitoreo del chip del controlador USB para ver si algo está enchufado, pero eso es una pequeña cantidad de energía.

Sí, está utilizando más electricidad, pero no en cantidades que marcarán una gran diferencia en su factura a fin de mes.

Respuesta corta:

SI; usted siempre paga por la energía del USB con al menos mucho más alimentación de la pared . Esto no solo es requerido por las leyes de la termodinámica, sino que también es inherente a la forma en que funcionan las fuentes de alimentación.

Respuesta larga:

Consideraremos todo el sistema de la computadora, su fuente de alimentación interna, sus circuitos operativos y los circuitos del puerto USB como una gran caja negra llamada Suministro. A los fines de esta ilustración, toda la computadora es un cargador USB de gran tamaño, con dos salidas: la potencia de funcionamiento de la computadora, que llamaremos Pc , y la potencia de salida USB, que llamaremos Pu .

La conversión de energía de una forma (voltaje, corriente, frecuencia) a otra y la conducción de energía de una parte de un circuito a otra son procesos físicos que no son perfectos. Incluso en un mundo ideal, con superconductores y componentes aún por inventar, el circuito no puede ser mejor que perfecto. (La importancia de este mensaje sutil resultará ser la clave de esta respuesta). Si desea 1W fuera de un circuito, debe colocar al menos 1W, y en todos los casos prácticos un poco más de 1W. Un poco más es el poder perdido en la conversión y se llama pérdida . Llamaremos al poder de pérdida Pl, y está directamente relacionado con la cantidad de energía entregada por el suministro. La pérdida es casi siempre evidente como calor, y es por eso que los circuitos electrónicos que llevan grandes niveles de potencia deben ser ventilados.

Hay alguna función matemática (una ecuación) que describe cómo varía la pérdida con la potencia de salida. Esta función implicará el cuadrado del voltaje o corriente de salida donde se pierde potencia en la resistencia, una frecuencia multiplicada por el voltaje o corriente de salida donde se pierde potencia en la conmutación. Pero no necesitamos detenernos en eso, podemos envolver todos esos detalles irrelevantes en un símbolo, que llamaremos f (Po) , donde Po es la potencia de salida total, y se utiliza para relacionar la potencia de salida con la pérdida por el ecuación Pl = f (Pc + Pu) .

Una fuente de alimentación es un circuito que requiere energía para funcionar, incluso si no entrega energía de salida. Los ingenieros electrónicos llaman a esto el poder inactivo , y lo llamaremos Pq . El poder de reposo es constante y no se ve afectado por lo duro que está trabajando la fuente de alimentación para entregar la potencia de salida. En este ejemplo, donde la computadora realiza otras funciones además de alimentar el cargador USB, incluimos la potencia operativa de las otras funciones de la computadora en Pq .

Toda esta potencia proviene de la toma de pared, y llamaremos a la potencia de entrada, Pw , ( Pi se ve confusamente como Pl , así que cambié a Pw para potencia de pared).

Así que ahora estamos listos para unir todo lo anterior y obtener una descripción de cómo se relacionan estas contribuciones de poder. En primer lugar, sabemos que cada microvatio de salida de potencia, o pérdida, proviene de la pared. Entonces:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

Y sabemos que Pl = f (Pc + Pu) , entonces:

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

Ahora podemos probar la hipótesis de que tomar energía de la salida USB aumenta la energía de la pared en menos de la energía USB . Podemos formalizar esta hipótesis, ver a dónde conduce y ver si predice algo absurdo (en cuyo caso la hipótesis es falsa) o predice algo realista (en cuyo caso la hipótesis sigue siendo plausible).

Podemos escribir la hipótesis primero como:

(Energía de pared con carga USB) - (Energía de pared sin carga USB) <(Energía USB)

y matemáticamente como:

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

Ahora podemos simplificar esto eliminando los mismos términos en ambos lados del signo menos y eliminando los corchetes:

f (PC + Pu) + Pu - f (PC) <Pu

luego restando Pu de ambos lados de la desigualdad (<signo):

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

Aquí está nuestro absurdo. Lo que este resultado significa en inglés simple es:

La pérdida adicional involucrada en tomar más energía del suministro es negativa

Esto significa resistencias negativas, voltajes negativos caídos a través de uniones de semiconductores, o potencia que aparece mágicamente desde los núcleos de los inductores. Todo esto son tonterías, cuentos de hadas, ilusiones de máquinas de movimiento perpetuo, y es absolutamente imposible.

Conclusión:

No es físicamente posible, teóricamente o de otro modo, obtener energía del puerto USB de una computadora, con menos de la misma cantidad de energía adicional proveniente de la toma de corriente.

¿Qué extrañó @zakinster?

Con el mayor respeto a @zakinster, ha entendido mal la naturaleza de la eficiencia. La eficiencia es una consecuencia de la relación entre la potencia de entrada, la pérdida y la potencia de salida, y no una cantidad física para la cual la potencia de entrada, la pérdida y la potencia de salida son consecuencias.

Para ilustrar, tomemos el caso de una fuente de alimentación con una potencia de salida máxima de 900W, pérdidas dadas por Pl = APo² + BPo donde A = 10 ^ -4 y B = 10 ^ -2, y Pq = 30W. Modelar la eficiencia ( Po / Pi ) de dicha fuente de alimentación en Excel y graficarla en una escala similar a la curva de Anand Tech, da:

Este modelo tiene una curva inicial muy empinada, como el suministro de Anand Tech, pero está modelado completamente de acuerdo con el análisis anterior, lo que hace que la energía libre sea absurda.

Tomemos este modelo y veamos los ejemplos que da @zakinster en el Caso 2 y el Caso 3. Si cambiamos Pq a 50W y hacemos que el suministro sea perfecto , con pérdida cero, entonces podemos obtener un 80% de eficiencia con una carga de 200W. Pero incluso en esta situación perfecta, lo mejor que podemos obtener con 205W es 80.39% de eficiencia. Para alcanzar el 80.5% que sugiere @zakinster es una posibilidad práctica que requiere una función de pérdida negativa, lo cual es imposible. Y lograr un 82% de eficiencia es aún más imposible.

Para un resumen, consulte la Respuesta breve arriba.

Es posible que una computadora consuma la misma potencia mientras carga dispositivos, como cuando no carga dispositivos (todo lo demás es igual, como la carga de la CPU). Las leyes de la física, como el principio de conservación de la energía, no ofrecen ninguna garantía de que esto no pueda suceder.

Para que eso suceda, la computadora tendría que estar desperdiciando energía cuando los dispositivos no están enchufados, de modo que cuando están enchufados, la energía desperdiciada se redirige a ellos y, por lo tanto, se utiliza.

Los diseñadores electrónicos tendrían que esforzarse para idear un diseño tan derrochador, pero es posible. Un circuito que consume exactamente la misma cantidad de energía, ya sea que esté cargando o no una o más baterías, es más difícil de diseñar que uno que consume energía en proporción al trabajo de carga, y el resultado es un dispositivo derrochador que nadie quiere.

En realidad, los diseñadores buscan reguladores de voltaje estándar para alimentar los componentes de la placa base. Los reguladores de voltaje tienen la propiedad de que cuanto menos cargados están, menos energía consumen en general y menos desperdician internamente. (Los reguladores lineales desperdician más, cambian unos menos, pero ambos consumen menos cuando están menos cargados).

Cualquier cosa en el sistema que esté apagado contribuye al ahorro de energía neta: puerto Ethernet apagado, transmisor Wi-Fi apagado, disco girado, CPU inactiva o puerto USB que no entrega corriente. El ahorro es doble: en primer lugar, el subsistema en sí no usa energía y, en segundo lugar, se desperdicia menos energía aguas arriba como disipación de calor en la cadena de suministro de energía.

Si. Es física básica (termodinámica). De la misma manera, cargar su teléfono en su automóvil usa un poco más de gasolina. Otro ejemplo son los relojes cinéticos: ¡tiene que comer un poquito más de comida porque usa un reloj cinético! Probablemente es inconmensurable, pero la ley de conservación de la energía lo exige. La energía no puede ser creada o destruída.