Wie ziehen Geräte bei Bedarf mehr Strom?

Angenommen, ich habe einen Desktop-Computer und entscheide mich für etwas, das mehr Rechenleistung erfordert. In diesem Fall zieht mein Computer mehr Strom, um die Leistung zu erhöhen. Wie erfolgt diese Stromerhöhung? Öffnet mein Computer mehr Parallelschaltungen, sodass der Gesamtwiderstand abnimmt? oder haben sie elektronische Potentiometer oder etwas ganz anderes. Ist die in einem Desktop-Computer verwendete Technik dieselbe, als würde ich die Temperatur des Ofens ändern?

Jede Hilfe wird sehr geschätzt.

Ich entscheide mich für etwas, das mehr Rechenleistung erfordert. In diesem Fall zieht mein Computer mehr Strom, um die Leistung zu erhöhen.

Umgekehrt: Der Computer erledigt mehr Aufgaben und verbraucht dadurch mehr Strom.

Öffnet mein Computer mehr Parallelschaltungen, sodass der Gesamtwiderstand abnimmt?

Das ist ungefähr richtig. Abgesehen davon, dass Computer nicht wirklich mit kontinuierlichem Stromfluss arbeiten, arbeiten sie in Bursts, die von ihrer internen Uhr gesteuert werden. Jede Aktion beinhaltet entweder das Ziehen von Strom, um einen Transistor einzuschalten, oder das Abziehen von Strom, um ihn wieder auszuschalten. Mal eine Milliarde Transistoren, mal eine Milliarde pro Sekunde. Mehr Berechnung erfordert mehr Transistoren.

Auf hohem Niveau, ja, Sie haben Recht, dass der Computer mehr Transistoren öffnet oder zumindest mehr Transistoren schaltet, wenn er mehr Strom verbraucht. Wenn Sie beispielsweise einen Hardware-Multiplikator haben und diesen im Allgemeinen nicht verwenden, werden die Transistoren im Multiplikator nicht eingeschaltet und ziehen daher nicht viel Strom. Wenn der Code jetzt eine Multiplikation anfordert, beginnen die darin enthaltenen Transistoren zu schalten, wodurch der Widerstand zwischen VDD und Masse verringert wird. Dies wird mehr Strom ziehen. Die Stromaufnahme verringert die VDD-Spannung. Jetzt erkennt der Schaltspannungsregler diesen Spannungsabfall und schaltet bei einem höheren Arbeitszyklus ein, um eine hohe Strombelastbarkeit und ungefähr eine konstante Spannung zu ermöglichen.

Auf einem breiten hohen Niveau fordern Schaltungen mehr Strom an, indem sie ihren Widerstand verringern, da die meisten Schaltungen mit einer konstanten Spannungsquelle arbeiten.

Moderne Computer verwenden Logikgatter, die so ausgelegt sind, dass sie im eingeschwungenen Zustand nur sehr wenig Strom verbrauchen, aber einen Stromstoß benötigen, um von einem Zustand in einen anderen zu wechseln.

Wenn sich der Computer im Leerlauf befindet, befindet sich der Prozessor die meiste Zeit im Energiesparmodus. Die meisten Schaltkreise tun nichts und verbrauchen daher wenig Strom. Gleiches gilt für andere Komponenten wie die GPU der Grafikkarte.

Wenn Sie ihm dann etwas zu tun geben, erledigt er plötzlich mehr Arbeit. Die Tore schalten sich häufiger ein und aus und verbrauchen daher mehr Strom.

Darüber hinaus sind viele Computer, insbesondere Laptops, so konzipiert, dass ganze Computerabschnitte heruntergefahren werden, wenn sie nicht verwendet werden. Beispielsweise wird die Webcam in einem Laptop ausgeschaltet, bis Sie eine Anwendung öffnen, die sie verwendet.

Es gibt verschiedene Mechanismen für den Energieverbrauch auf Chipebene.

Wenn Schaltkreise schalten, gibt es interne parasitäre Kondensatoren in allen Transistoren und Verbindungen (intern auf den Chips und extern). Diese Kondensatoren müssen geladen und entladen werden, wenn die Schaltungsknoten von Aus nach Ein (oder Ein nach Aus) geschaltet werden. Die Kondensatoren sind winzig, aber wenn Sie Milliarden von ihnen haben, die milliardenfach pro Sekunde wechseln, summiert sich das auf. (Diese Leistung wird tatsächlich durch den Widerstand der Schaltungselemente einschließlich des parasitären Widerstands in den parasitären Kondensatoren abgeleitet.)

Alle Schaltungselemente haben auch einen Widerstand, sodass der Stromfluss überall in den Schaltungen Wärme erzeugt und Strom verbraucht. Wenn die Schaltungsknoten schalten, müssen die parasitären Kondensatoren an den lastseitigen Geräten ausgetauscht oder entladen werden. Dies erfordert einen Stromfluss, der wiederum Wärme erzeugt und Strom verbraucht.

Der mit diesen beiden Effekten verbundene Stromverbrauch hängt von der Anzahl der Schaltvorgänge für interne Knoten ab, was bedeutet, dass der Stromverbrauch von der Aktivität (und der Taktgeschwindigkeit) des Prozessors und anderer Elemente abhängt.

Transistoren und andere Komponenten in den integrierten Schaltkreisen weisen ebenfalls einen Leckstrom auf. Dadurch wird ein (statischer) Grundstromverbrauch erzeugt, der auch dann auftritt, wenn der Prozessor inaktiv ist. Viele moderne Low-Power-Systeme schalten im Ruhezustand oder inaktiven Zuständen die Stromversorgung ganzer Subsysteme des Prozessors und anderer Chips ab, um diesen statischen Stromverbrauch zu minimieren.

Es gibt andere Mechanismen des Stromverbrauchs in Computern (Stromversorgungsstillstand usw.), aber diese sollen Ihnen helfen, zu verstehen, warum der Stromverbrauch variiert und warum immer noch Strom verbraucht wird, wenn keine Arbeit erledigt wird.

Die verschiedenen ICs im Computer haben jeweils eine unterschiedliche Stromaufnahme. Hier sind einige Daten vom Atmega328P, einem einfachen 8-Bit-16-MHz-Mikrocontroller, der im Arduino Uno und auf anderen ähnlichen Boards verwendet wird.

Die verschiedenen ICs im Computer haben jeweils eine unterschiedliche Stromaufnahme. Hier sind einige Daten vom Atmega328P, einem einfachen 8-Bit-16-MHz-Mikrocontroller, der im Arduino Uno und auf anderen ähnlichen Boards verwendet wird.

Beispiel: Berechnen Sie die erwartete Stromaufnahme im Leerlauf, wobei TIMER1, ADC und SPI bei VCC = 2,0 V und F = 1 MHz aktiviert sind. In der Tabelle Zusätzlicher Stromverbrauch (in Prozent) im aktiven und im inaktiven Modus im vorherigen Abschnitt, dritte Spalte, sehen wir, dass wir 14,5% für den TIMER1, 22,1% für den ADC und 15,7% für das SPI-Modul hinzufügen müssen. Aus der Abbildung Leerlaufversorgungsstrom vs. Niederfrequenz (0,1-1,0 MHz) geht hervor, dass der Leerlaufstromverbrauch bei VCC = 2,0 V und F = 1 MHz ~ 0,045 mA beträgt. Die Gesamtstromaufnahme im Leerlauf bei aktiviertem TIMER1, ADC und SPI ergibt: ICCtotal ≤ 0,045 mA⋅ (1 + 0,145 + 0,221 + 0,157) ≤ 0,069 mA

(Hilft, das Datenblatt zu öffnen, um die verschiedenen Tabellen zu betrachten).

Für einen Computer, der mit 3,2 GHz (200-mal schneller) und möglicherweise 1,8 V Kernlogikspannung (und 4 oder 8 Kernen für Multithreading) und 3,3 V E / A-Spannung betrieben wird und mit Speicher- und Videochips sowie Festplattencontroller und USB kommuniziert Bei Controllern und Ethernet- oder Wireless-Controllern wären die Berechnungen ähnlich, wobei jeder Chip seinen eigenen Betrag zur Gesamtsumme hinzufügt. Sie können sehen, warum der Computerprozessor oben einen großen Kühlkörper hat, über den ein Lüfter Luft bläst.

Was passiert, ist, dass der Computer die Leistungsaufnahme nicht erhöht, sondern dass der Computer mehr verfügbare Leistung verbraucht. Jeder Teil Ihres Computers verfügt über winzige Transistoren, die sich wie Schalter verhalten. Um sie offen zu halten oder ihren Zustand zu ändern, ist ein wenig Kraft erforderlich.

Wenn bessere oder komplexere Komponenten hinzugefügt werden, wächst die erforderliche Energie zum Schalten dieser Transistoren, da mehr vorhanden sind. Natürlich gibt es noch weitere Faktoren, wie die Größe des Transistors, die Leckage usw., aber im einfachsten Fall ist dies der Fall.

Es gibt auch eine Grenze für die Leistung, die normalerweise von Ihrem Netzteil abhängt. Als Analogie stellen Sie sich Folgendes vor: Wenn Sie Rad fahren, müssen Sie eine gewisse Menge Energie in das Rad stecken. Jetzt bekommst du ein neues Fahrrad mit besseren Rädern, aber dafür musst du mehr Kraft aufwenden. Es sind nicht die Räder, die nach mehr Leistung "fragen". Es ist nur so, dass es notwendig ist, sich zu bewegen und weiterzumachen. Natürlich gibt es auch eine Grenze für die Menge an Energie, die Sie in das Gerät stecken können, bevor sich herausstellt, dass es zu viel ist. Wenn Sie weitermachen, bekommen Sie Muskelkater.

Wenn in einem Computer zu viel Strom verbraucht wird, wird er instabil, so wie Sie mit einem Fahrrad nicht mithalten können, das zu viel Energie kostet, um sich fortzubewegen. Kurz gesagt, es ist nicht der Computer, der entscheidet, wie viel Strom er verbraucht, sondern die Komponenten, die diesen Strom aus dem Netzteil ziehen, und er liefert so viel, wie er kann.

Zeichnen wir zur Veranschaulichung ein Bild (einen Schaltplan, einen Schaltplan)

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Mit zunehmendem Laststrom ändert sich die Netzspannung von 99,999 Volt auf 99,998 Volt.

Beachten Sie, dass der sehr niedrige Widerstand der Stromleitung der Grund für die nahezu konstante Stromleitungsspannung ist.