Verbraucht ein Computer beim Laden von USB-Geräten mehr Strom?

Das habe ich mich immer gefragt. Wenn ich ständig Mobiltelefone, Festplatten und ähnliches über USB an meinen Computer anschließe, wird dies mehr Strom verbrauchen? Oder verbrauchen die USB-Anschlüsse Strom, indem sie ohnehin nur aktiviert werden, wodurch der Stromverbrauch nicht beeinträchtigt wird?

Kurze Antwort:

Verbraucht ein Computer beim Laden von USB-Geräten mehr Strom?

Im Allgemeinen ja , aber nicht unbedingt so viel, wie Sie erwarten würden; es wird keine freie Macht sein , aber es könnte effizienter erhalten werden . Es hängt wirklich von der Effizienzkurve des jeweiligen Netzteils und dem Punkt ab, an dem Sie es betreiben (und der Stromverbrauch wird von der Software beeinflusst):

• Wenn das Netzteil Ihres Computers unterlastet ist (z. B. im Ruhezustand), wird durch Hinzufügen einer höheren Last die Energieeffizienz für das gesamte System geringfügig erhöht.
• Wenn das Netzteil Ihres Computers korrekt geladen ist, ist es in der Nähe der höchsten Effizienz viel besser als ein USB-Ladegerät.
• Wenn das Netzteil Ihres Computers bereits überlastet ist (was niemals passieren sollte), gibt es dringendere Probleme als die Effizienz der USB-Stromversorgung.

Lange Antwort:

Ein USB - Anschluss ausgeben kann Maxima von 500mA ( USB1&2) und 950mA ( USB3) bei 5 V , welche Maxima gibt 2.5W ( USB1&2) und 4.75W ( USB3).

USB - Anschlüsse nicht verbrauchen Strom selbst . Ohne dass etwas eingesteckt ist, handelt es sich nur um offene Stromkreise.

Wenn Sie nun einen USB3-Anschluss mit 1 A ( 5 W ) ausstatten, erhöht sich der globale Stromverbrauch normalerweise um ~ 6 W (abhängig von der Effizienz Ihres Netzteils), was einer Erhöhung des Stromverbrauchs Ihres Computers um 2% bis 5% entspricht.

In einigen Fällen kann dies jedoch anders sein.

Wenn Sie sich eine PSU- Effizienzkurve ansehen (von AnandTech ):

Sie werden feststellen, dass der Wirkungsgrad kein konstanter Wert ist, sondern stark von der Belastung des Netzteils abhängt. Sie werden bei diesem 900-W- Netzteil feststellen , dass die Kurve bei geringer Leistung ( 50 W bis 200 W ) so steil ist, dass eine Erhöhung der Last eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades zur Folge hat.

Wenn die Effizienzsteigerung hoch genug ist, bedeutet dies, dass Ihr Computer in einigen Fällen möglicherweise keine zusätzlichen 5 W aus der Steckdose ziehen muss, wenn Sie zusätzliche 5 W von einem USB-Anschluss ziehen.

Nehmen wir ein Beispiel für einen Computer, der 200 W mit einem tatsächlichen Wirkungsgrad von 80% bei 200 W auf einem Netzteil verbraucht :

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

Abhängig von der Effizienzkurve des Netzteils zwischen 200 W und 205 W kann der relative Stromverbrauch des USB-Geräts völlig unterschiedlich sein:

<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

Dies ist der übliche vereinfachte Fall, bei dem der Wirkungsgrad gleich ist und daher der Stromverbrauch des USB-Geräts gleich ist5W / 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

In diesem Fall steigt der Wirkungsgrad des Netzteils zwischen 200 W und 205 W. Daher können Sie den relativen Stromverbrauch des USB-Geräts nicht ableiten, ohne den gesamten Stromverbrauch des Computers zu berücksichtigen, und Sie werden den relativen Anstieg an der Steckdose bemerken kann tatsächlich niedriger als 5W sein .

Dieses Verhalten tritt nur auf, weil in diesem Fall das Netzteil unterlastet ist. Dies ist also nicht der übliche Fall, aber dennoch eine praktische Möglichkeit.

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

In diesem Fall bezieht das Netzteil unabhängig von der empfangenen Last den gleichen Strom aus der Steckdose. Dies ist das Verhalten eines Zenerreglers, bei dem alle unnötige Energie in Wärme umgewandelt wird. Dies ist ein Verhalten, das in einer Art Low-End-Netzteil bei sehr geringer Last zu beobachten ist.

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

Der letzte Fall ist ein rein hypothetischer Fall, in dem das Netzteil bei höherer Last tatsächlich weniger Strom verbraucht. Wie @Marcks Thomas sagte, kann man dies nicht an einem praktischen Netzteil beobachten, aber es ist immer noch theoretisch möglich und beweist, dass die instinktive TANSTAAFL- Regel nicht immer so einfach angewendet werden kann.

Fazit :

Wenn Sie viele 5-V-Geräte laden müssen, ist es besser, dies von einem bereits laufenden Computer aus zu tun, als von mehreren Ladegeräten. Es wird nicht kostenlos sein, aber effizienter.

Beachten Sie auch, dass Sie möglicherweise USB-Anschlüsse mit 1AFunktionen (z. B. USB3) benötigen , um die gleiche Ladegeschwindigkeit zu erzielen.

TANSTAAFL gilt auch hier.

Sie bekommen nicht umsonst Strom. Andernfalls könnten wir nur die USB-Anschlüsse für die Stromversorgung eines anderen Computers und den anderen Computer für die Stromversorgung des ersten Computers verwenden. Es ist eine lustige Idee, aber es funktioniert nicht.

Die Energie zum Laden ist allerdings eher gering. USB1 oder 2 verwenden 100 bis 500 mA bei 5 Volt. Das sind maximal 2½ Watt. Im Vergleich zum normalen Leerlaufstromverbrauch eines PCs ist dieser eher klein. (Normal: 50 Watt für einen Office-PC bis 150 Watt im Leerlauf für einen High-End-PC. Und ungefähr dreimal so viel wie beim Spielen, Kompilieren usw. usw.).

Ja. Es ist eine Grundregel der Physik; Wenn etwas Ihrem Computer Strom nimmt, muss Ihr Computer diesen Strom von irgendwoher beziehen. USB-Anschlüsse verbrauchen nicht nur Strom, wenn sie aktiviert sind *. Mehr als eine Steckdose würde Strom verbrauchen, wenn der Schalter nur eingeschaltet und nichts angeschlossen ist.

* Okay, die Überwachung des USB-Controller-Chips verbraucht nur wenig Strom, um festzustellen, ob etwas eingesteckt ist, aber das ist eine winzige Menge Strom.

Ja, Sie verbrauchen mehr Strom, aber nicht in Mengen, die am Monatsende einen großen Unterschied für Ihre Rechnung bedeuten.

Kurze Antwort:

JA; Sie zahlen immer für den USB-Strom mit mindestens so viel mehr Strom aus der Wand . Dies wird nicht nur von den Gesetzen der Thermodynamik gefordert, sondern hängt auch mit der Funktionsweise von Stromversorgungen zusammen.

Längere Antwort:

Wir werden das gesamte System des Computers, seine interne Stromversorgung, seine Betriebsschaltungen und die USB-Port-Schaltung als eine große Blackbox namens Supply betrachten. Für die Zwecke dieser Abbildung ist der gesamte Computer ein übergroßes USB-Ladegerät mit zwei Ausgängen: die Computer-Betriebsleistung, die wir als PC bezeichnen , und die Ausgangs-USB-Leistung, die wir als Pu bezeichnen .

Das Umwandeln von Energie von einer Form (Spannung, Strom, Frequenz) in eine andere und das Leiten von Energie von einem Teil eines Stromkreises in einen anderen sind alles physikalische Vorgänge, die nicht perfekt sind. Selbst in einer idealen Welt mit Supraleitern und noch zu erfindenden Bauteilen kann die Schaltung nicht besser als perfekt sein. (Die Wichtigkeit dieser subtilen Botschaft wird sich als der Schlüssel zu dieser Antwort herausstellen.) Wenn Sie 1W aus einem Stromkreis heraus wünschen, müssen Sie mindestens 1W und in allen praktischen Fällen ein wenig mehr als 1W einsetzen. Das bisschen mehr ist der Leistungsverlust bei der Konvertierung und wird Verlust genannt . Wir werden die Verlustleistung Pl nennen, und es hängt direkt mit der von der Stromversorgung gelieferten Energiemenge zusammen. Verlust ist fast immer als Wärme erkennbar, und deshalb müssen elektronische Schaltkreise, die große Leistungspegel führen, belüftet werden.

Es gibt eine mathematische Funktion (eine Gleichung), die beschreibt, wie sich der Verlust mit der Ausgangsleistung ändert. Diese Funktion umfasst das Quadrat der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms, bei dem die Leistung im Widerstand verloren geht, eine Frequenz multipliziert mit der Ausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom, bei dem die Leistung beim Schalten verloren geht. Aber wir müssen uns nicht damit befassen, wir können all diese irrelevanten Details in ein Symbol einwickeln, das wir f (Po) nennen , wobei Po die Gesamtausgangsleistung ist und verwendet wird, um die Ausgangsleistung mit dem Verlust durch das Symbol in Beziehung zu setzen Gleichung Pl = f (Pc + Pu) .

Ein Netzteil ist ein Schaltkreis, für dessen Betrieb Strom benötigt wird, auch wenn er überhaupt keine Ausgangsleistung liefert. Elektroniker nennen dies die Ruheleistung, und wir werden auf sie als verweisen Pq . Die Ruheleistung ist konstant und wird nicht dadurch beeinflusst, wie stark das Netzteil für die Abgabe der Ausgangsleistung arbeitet. In diesem Beispiel, in dem der Computer neben der Stromversorgung des USB-Ladegeräts noch andere Funktionen ausführt, wird die Betriebsleistung der anderen Computerfunktionen in Pq .

All diese Energie kommt aus der Steckdose, und wir werden die Eingangsleistung Pw nennen ( Pi sieht verwirrend aus wie Pl , also habe ich für die Wandleistung auf Pw umgestellt ).

Jetzt sind wir also bereit, das Obige zusammenzustellen und zu beschreiben, wie diese Machtbeiträge zusammenhängen. Erstens wissen wir, dass jedes Mikrowatt an Leistung oder Verlust von der Wand kommt. Damit:

Pw = Pq + Pl + Pc + Pu

Und wir wissen, dass Pl = f (Pc + Pu) , also:

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

Jetzt können wir die Hypothese testen, dass die Stromaufnahme über den USB-Ausgang die Wandstromaufnahme um weniger als die USB-Stromaufnahme erhöht . Wir können diese Hypothese formalisieren, sehen, wohin sie führt, und sehen, ob sie etwas Absurdes vorhersagt (in diesem Fall ist die Hypothese falsch) oder etwas Realistisches vorhersagt (in diesem Fall bleiben die Hypothesen plausibel).

Wir können die Hypothese zuerst schreiben als:

(Steckdose mit USB-Anschluss) - (Steckdose ohne USB-Anschluss) <(USB-Anschluss)

und mathematisch als:

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

Jetzt können wir dies vereinfachen, indem wir die gleichen Begriffe auf beiden Seiten des Minuszeichens entfernen und die Klammern entfernen:

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

dann durch Subtrahieren von Pu von beiden Seiten der Ungleichung (<Vorzeichen):

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

Hier ist unsere Absurdität. Was dieses Ergebnis im Klartext bedeutet, ist:

Der zusätzliche Verlust, der entsteht, wenn mehr Strom aus der Versorgung entnommen wird, ist negativ

Dies bedeutet negative Widerstände, über Halbleiterübergänge abfallende negative Spannungen oder magisch aus den Kernen von Induktoren austretende Leistung. Das alles ist Unsinn, Märchen, Wunschdenken an Perpetuum-Motion-Maschinen und absolut unmöglich.

Fazit:

Theoretisch oder anderweitig ist es physikalisch nicht möglich, einen Computer-USB-Anschluss mit Strom zu versorgen, wenn weniger als die gleiche Menge zusätzlichen Stroms aus der Wandsteckdose kommt.

Was hat @zakinster vermisst?

Mit größtem Respekt vor @zakinster hat er die Natur der Effizienz falsch verstanden. Effizienz ist eine Folge der Beziehung zwischen der Eingangsleistung, dem Verlust und der Ausgangsleistung, und nicht eine physikalische Größe , für die Eingangsleistung, Ausgangsleistung und Verlust Folgen sind.

Zur Veranschaulichung sei der Fall eines Netzteils mit einer maximalen Ausgangsleistung von 900 W angenommen, wobei die Verluste durch Pl = APo² + BPo gegeben sind, wobei A = 10 ^ -4 und B = 10 ^ -2 und Pq = 30 W. Die Modellierung der Effizienz ( Po / Pi ) eines solchen Netzteils in Excel und die grafische Darstellung auf einer Skala ähnlich der Anand Tech-Kurve ergibt:

Dieses Modell hat eine sehr steile Anfangskurve wie das Anand-Tech-Angebot, ist jedoch vollständig gemäß der obigen Analyse modelliert, die freie Leistung absurd macht.

Nehmen wir dieses Modell und sehen uns die Beispiele an, die @zakinster in Fall 2 und Fall 3 gibt. Wenn wir Pq auf 50 W ändern und die Versorgung ohne Verlust vervollkommnen , können wir einen Wirkungsgrad von 80% bei einer Last von 200 W erzielen. Aber selbst in dieser perfekten Situation können wir mit 205 W einen Wirkungsgrad von 80,39% erzielen. Um die 80,5% zu erreichen, schlägt @zakinster vor, dass eine praktische Möglichkeit eine negative Verlustfunktion erfordert, die unmöglich ist. Und 82% Wirkungsgrad zu erreichen, ist noch unmöglicher.

Eine Zusammenfassung finden Sie oben unter Kurzantwort .

Es ist möglich, dass ein Computer beim Laden von Geräten die gleiche Leistung verbraucht wie beim Nichtladen von Geräten (alle anderen sind gleich, wie die CPU-Last). Gesetze der Physik, wie das Prinzip der Energieerhaltung, geben keine Garantie dafür, dass dies nicht geschehen kann.

Dazu müsste der Computer Strom verschwenden, wenn die Geräte nicht angeschlossen sind, sodass der ansonsten verschwendete Strom beim Anschließen in sie umgeleitet und dadurch verwendet wird.

Elektronikdesigner müssten sich sehr viel Mühe geben, um ein solches verschwenderisches Design zu erfinden, aber es ist möglich. Eine Schaltung, die genau die gleiche Menge an Energie verbraucht, unabhängig davon, ob eine oder mehrere Batterien geladen werden oder nicht, ist schwerer zu konstruieren als eine Schaltung, die proportional zur Ladearbeit Strom verbraucht, und das Ergebnis ist ein verschwenderisches Gerät, das niemand haben möchte.

In der Realität greifen Designer zu handelsüblichen Spannungsreglern, um die Komponenten des Motherboards mit Strom zu versorgen. Spannungsregler haben die Eigenschaft, dass sie umso weniger Strom verbrauchen und intern verbrauchen, je weniger sie belastet sind. (Linearregler verschwenden mehr und schalten weniger, aber beide verbrauchen weniger, wenn sie weniger belastet sind.)

Alles in dem System, das ausgeschaltet ist, trägt etwas zur Energieeinsparung bei: ausgeschalteter Ethernet-Port, ausgeschalteter Wi-Fi-Sender, heruntergefahrene Festplatte, schlafende CPU oder USB-Port, der keinen Strom liefert. Die Einsparung hat zwei Gründe: Erstens verbraucht das Teilsystem selbst keine Energie, und zweitens wird weniger Energie als Wärmeabgabe in der Stromversorgungskette verschwendet.

Ja. Es ist die Grundphysik (Thermodynamik). Auf die gleiche Weise verbraucht das Aufladen Ihres Telefons im Auto etwas mehr Benzin. Ein anderes Beispiel sind kinetische Uhren: Sie müssen ein bisschen mehr essen, weil Sie eine kinetische Uhr tragen! Es ist wahrscheinlich unermesslich, aber das Energieerhaltungsgesetz verlangt es. Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden.