¿Una computadora usa más electricidad al cargar dispositivos USB?

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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?

usb power arnehehe
fuente
15
@DanielRHicks Si conecta cinco dispositivos a 0.5A cada uno, eso genera 16W (con una eficiencia del 80%). Eso puede no ser relevante para la factura de electricidad, pero es fácilmente medible con un vatímetro de $ 15.
zakinster
77
Randall Munroe analiza brevemente su pregunta aquí: what-if.xkcd.com/35
Eric Lippert
66
No. Puede comenzar a obtener ganancias bombeando energía de los enchufes SUB.
Val
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Mi UPS tiene un medidor de potencia, y cuando suspendo mi computadora sin dispositivos USB conectados, el consumo de energía mide 0 vatios. Si conecto una tableta y dos teléfonos para cargar (los puertos USB siempre están alimentados mientras la computadora está suspendida), el consumo de energía es de 7 vatios. No sé cuán preciso es el medidor de energía del UPS, pero definitivamente se usa energía medible. No he comprobado el uso de la alimentación USB mientras la computadora está encendida, pero la computadora oscila alrededor de 80W mientras está inactiva, por lo que supongo que la carga USB lo empujaría a alrededor de 87W.
Johnny
2
Buena pregunta. ~ ¿Está poniendo un artículo extra en su refrigerador haciendo que use más electricidad?
tymtam

Respuestas:

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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 ):

Curva de eficiencia Cooler Master UCP 900W

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.

zakinster
fuente
66
No creo que ninguna fuente de alimentación práctica tenga una curva de eficiencia lo suficientemente pronunciada como para reducir realmente el consumo bajo una carga mayor, pero +1 para hacer el punto muy relevante de que una computadora puede ser más eficiente que un cargador de pared.
Marca Thomas el
44
@MarcksThomas Yo tampoco lo creo, pero es teóricamente posible y sería fácil construir una PSU ficticia ineficiente que se comporte de esta manera. Solo estaba señalando que el simple razonamiento de TANSTAAFL solo funciona si no se tiene en cuenta el hecho de que la fuente de alimentación de la computadora ya puede obtener energía que no está utilizando. El consumo general obviamente no disminuirá, pero no me sorprendería si no aumenta tanto como se esperaba.
zakinster
1
Si comienza a usar 5 vatios adicionales para cargar un dispositivo, es probable que su computadora extraiga 6 vatios adicionales de la toma de corriente. (Eso es 5 vatios más ineficiencia de la fuente de alimentación, donde una fuente de alimentación promedio es aproximadamente 80% eficiente). Un cargador separado podría ser menos eficiente, especialmente si se deja enchufado las 24 horas, los 7 días de la semana. Esto se debe a que incluso cuando no está en uso, un cargador tiende a consumir algo de energía. No mucho, pero las 24 horas por día no sumarán mucho. (No es que el OP haya pedido tantos detalles. :)).
Hennes
2
@zakinster Si una PC consume 200W con una eficiencia del 80%, extraerá 250W de la pared (ya que el 20% se pierde en la conversión de PSU). Agregar 5W a la cantidad de extracción de la PC proporciona 205W extraídos, y con una eficiencia del 80%, esto proporciona 256.25W extraídos de la pared (o 6.25W adicionales ).
Avance el
3
@Breakthrough Completamente cierto si la eficiencia es un 80% constante a 200W y 205W , pero especifiqué en mi ejemplo que la eficiencia de la PSU era en realidad 80,5% a 205W
zakinster
45

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.).

Hennes
fuente
2
Ups Matemáticas arregladas. En realidad, no solo vatios. volt x watt = Watt fue un brainfart. Eso debería haber sido en amperaje.
Hennes
17
@Hennes No puede aplicar la regla del almuerzo gratis tan fácilmente, la fuente de alimentación de la computadora ya puede estar desperdiciando la energía que necesitan los dispositivos USB y puede alimentar estos dispositivos sin siquiera aumentar la carga en el enchufe de la pared. Puede que ese no sea el caso habitual, pero es un comportamiento común para una fuente de alimentación gravemente subcargada.
zakinster
55
TANSTAAFL también se conoce como el principio de "conservación de la energía".
wchargin
17
Esta respuesta es infundada. El principio de conservación de energía por sí solo no nos garantiza que un dispositivo de carga use más energía mientras se carga y menos mientras no se carga. Un dispositivo de carga podría consumir la misma energía independientemente de si se está cargando o no, desperdiciando energía cuando no se está cargando. Puede obtener algo por nada cuando utiliza lo que de otro modo se desperdicia. (Por lo tanto, es necesario argumentar que esto no sucede en una computadora con puertos USB.)
Kaz
55
-1 por no leer la pregunta con cuidado. La pregunta no preguntaba si los puertos USB proporcionan energía mágica libre. La pregunta preguntaba si siempre usan energía o solo cuando están cargando algo.
Kyralessa
11

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.

Stu
fuente
Y esa potencia del chip del controlador se usa independientemente de si una unidad flash está conectada o no, por lo que ni siquiera tiene en cuenta :)
Thomas
Claro, pero si deshabilita los puertos (algunas computadoras portátiles tienen la opción), esperaría que también apague el controlador.
Stu
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No es una regla básica de la física.
Kaz
2
Lo haría -1: no es la "regla básica de la física".
tymtam
9

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

NickW
fuente
1
respuesta agradable y simple :)
Joe DF
Pero si su computadora es una computadora portátil, marcará una diferencia en la duración de la batería.
200_success
De acuerdo, pero preguntó por su factura de electricidad :)
NickW
4

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:

ingrese la descripción de la imagen aquí

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.

Billysugger
fuente
Gran respuesta, pero no estoy de acuerdo con tu conclusión; la función de pérdida no necesita aumentar en todas partes. De hecho, es trivial diseñar, por razones de argumento, una fuente de alimentación que reduzca las pérdidas bajo carga, aunque esta característica no sería útil. Esta respuesta muestra muy minuciosamente la improbabilidad, no la imposibilidad.
Marca Thomas el
El OP se refería a la carga desde una computadora práctica. Si bien no tengo dudas de que uno podría agregar artificialmente elementos disipativos que se cambian bajo ciertas circunstancias, para probar un punto, eso constituiría una mayor carga (con el propósito de tratar de probar un punto) y no aumentar la pérdida. Pero si hay un diseño de fuente de alimentación razonable y práctico que exhiba una función de pérdida negativa, y no se mejore de manera apreciable en términos de costo o rendimiento al eliminar la función de pérdida negativa, entonces me gustaría verlo.
Billysugger 01 de
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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.

Kaz
fuente
1
En realidad, los circuitos de suministro de energía que consumen una cantidad de energía relativamente constante, independientemente de la cantidad de energía necesaria, solían ser algo común, y no me sorprendería si todavía se usan en algunas aplicaciones. Si un dispositivo alimentado por la red eléctrica nunca necesita más de 1 mA, una resistencia de 100K, un diodo "ordinario", un zener y una tapa pueden convertir el AC120 a un voltaje no regulado que es lo suficientemente bajo como para alimentarlo a un regulador barato. Tal dispositivo probablemente consumiría aproximadamente 1/8 vatios continuamente, independientemente de la cantidad utilizada, pero probablemente podría ser más barato que cualquier alternativa práctica.
supercat
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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.

Dermot
fuente