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AF Informatica - Alimentatori

Alimentatori


Non preoccupatevi, il seguito non saranno noiose analisi tecniche. Il nostro obiettivo è spiegare brevemente cos'è e come funziona un alimentatore per PC. Faremo poi alcuni esempi per affrontare i problemi tecnici più comuni, e spiegheremo il significato di efficienza, perdita e potenza reattiva, e perché dovete conoscere queste parole. Poi daremo uno sguardo alle misure di protezione possibili e, forse ancora più importante, necessarie prima mettere in pratica quanto imparato teoricamente.
Grande contro piccolo, efficienza contro prestazioni; esamineremo tre differenti PC basati per altrettanti modelli d'uso, determineremo qual è l'alimentatore giusto per ognuno e poi spiegheremo quale scegliere basandoci su qualità e impatto ambientale a lungo termine.
Il trucco della frequenza
Ricordate le vecchie radio a valvole? Erano massicce, goffe ed essenziali. A renderle anche pesanti c'era la struttura in legno e i grandi trasformatori che contenevano. Già a quell'epoca si sfruttava un fenomeno fisico usato per costruire anche i moderni alimentatori a commutazione: per convertire un'intensa corrente alternata in una bassa e ottenere la separazione galvanica delle correnti (una sorta di barriera elettrica tra l'entrata e l'uscita), si usavano potenti trasformatori con un cuore formato da lastre di ferro.

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Una frequenza di 60 Hz richiedeva un trasformatore piuttosto grande, ma i cosiddetti trasformatori d'uscita - che fornivano una corrente più intensa tra i 100 Hz e i 16 kHz – potevano essere più piccoli, a parità di potenza. Così riducendo molto le frequenze nella parte inferiore dello spettro, è possibile ottenere trasformatori più potenti ma delle stesse dimensioni. Con l'invenzione di nuovi componenti come valvole di commutazione più potenti, e in seguito semiconduttori basati sullo stesso principio fisico, questo vantaggio è stato trasferito anche in altri campi, aprendo la strada a nuove possibilità.
Tutto questo come si applica al mio PC?
A causa della grande energia generalmente richiesta dai moderni computer, un tradizionale alimentatore a trasformatore non è adatto a fornire la corrente a bassa frequenza che usano i componenti del computer, perché sarebbe troppo grande e pesante.
Il problema si risolve con un alimentatore a commutazione (Switched-Mode Power Supply Unit, SMPSU), che sfrutta lo stesso principio delle frequenze delle vecchie radio a valvole. L'obiettivo è fornire le tensioni e le correnti richieste nel modo più efficiente possibile, mantenendo al tempo stesso l'affidabilità.
Oggigiorno però non contiamo più su prodotti analogici, e infatti sono i transistor a occuparsi della commutazione, non certo le valvole. L'elettronica ha portato a piccoli trasformatori capaci di gestire grandi potenze. È da qui che deriva il termine "alimentatore a commutazione - o switching".
Cosa c'è dentro e come funziona?

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Un alimentatore a commutazione è fatto di diverse parti. Un filtro per l'elettricità della rete, giusto "all'ingresso", serve a filtrare sbalzi di tensione, armoniche di linea e altri fenomeni indesiderabili. La seconda fase rettifica e scherma la corrente alternata: a questo punto, abbiamo a che fare con circa 350 Volt, poi trasformati con un inverter in una corrente alternata tra 35 e 50 kHz. Qui entrano in gioco i nostri piccoli trasformatori, che trasformano la corrente alternata in continua.
Dentro a uno stesso computer ci vogliono diverse tensioni (3,3, 5 e 12 volt), quindi un semplice alimentatore a commutazione può avere una singola uscita con canali separati per ogni tensione. Gli alimentatori più costosi hanno persino trasformatori separati per le differenti tensioni, che sono poi corrette e rettificate di nuovo dopo la trasformazione. La cosa più importante è che queste tensioni devono rimanere costanti.

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Che il PC sia in idle o sotto pieno carico, le tensioni non dovrebbero scostarsi dal valore nominale di più del cinque percento; tale stabilità è gestita dal regolatore di tensione. Questa è anche la ragione per cui un alimentatore a commutazione è sempre collegato a un carico, altrimenti rischierete la creazione di una tensione eccessiva e dannosa (voltage flashover).
Questo ci porta al prossimo argomento: l'efficienza. Se state pensando di acquistare una nuova automobile, chiederete al concessionario "Quanti chilometri faccio con un litro?". Gli alimentatori non vanno a benzina, si può parlare comunque di consumi. L'efficienza è un argomento delicato, perché buona parte dei consumatori non sa che il proprio PC consuma troppo e genera costi in bolletta più alti di quanto dovrebbero.
Il PC, quanti chilometri fa al litro?

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L'efficienza è solitamente definita come il rapporto tra la potenza assorbita (dalla presa a muro) e quella a disposizione del computer. A parità di energia in uscita, l'efficienza dell'alimentatore migliora in modo inversamente proporzionale all'energia assorbita dalla presa a muro. L'efficienza si misura con un valore percentuale, che indica quanta dell'energia in entrata si ritrova effettivamente in uscita - usata dai componenti; il resto va perso, generalmente in calore.
A questo proposito c'è un equivoco che vale la pena di chiarire. Nota la potenza nominale di un alimentatore, l'efficienza – espressa come valore percentuale – ci dice quanta potenza in più sarà assorbita dalla presa a muro. In altre parole 500 watt con un'efficienza del 75% non significa che saranno disponibili 375 watt per il PC, ma che verranno assorbiti 666 watt dalla rete elettrica e forniti 500 watt al PC.
Supponiamo che in un certo momento il PC stia consumando 600 watt di potenza (basta una configurazione da gioco potente). Se l'alimentatore ha un'efficienza dell'80% significa che dalla vostra presa a muro dovranno uscire 750 Watt (600/0.8). I 150 watt in più si trasformano in calore, prodotto dal trasformatore. In questo articolo ci occupiamo solo di questa parte del PC, ma vale la pena ricordare che questa non è l'unica potenza che si disperde; in un computer scaldano anche CPU, GPU, RAM, hard disk e i circuiti in generale, e così bisogna consumare altra elettricità per il sistema di dissipazione.
Niente è costante, neppure la perdita

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Il nostro esempio sarebbe corretto in una situazione ideale, ma poiché non abbiamo una tecnologia super-efficiente alla Star Trek le cose non sono così semplici. Infatti un computer non richiede sempre la stessa quantità di energia, ma va da un minimo (idle) a un massimo (giochi 3D e applicazioni "pesanti"), passando per vari gradini intermedi. Similmente l'efficienza dell'alimentatore non è sempre la stessa, ma tende a calare insieme alla richiesta energetica.
La situazione ideale sembra prendere forma in questo grafico. Osservando la curva potete vedere che l'alimentatore raggiunge il suo picco d'efficienza a circa il 50% della sua capacità nominale.
L'osservazione suggerisce che si potrebbe risolvere il problema semplicemente con un alimentatore due volte più potente. Il principio è corretto, ma non tiene in considerazione lo stato idle del computer, quando i consumi sono al minimo: è lo stato in un cui un PC passa la maggior parte del tempo, e paradossalmente anche il più problematico per gli alimentatori moderni.
Se il carico scende sotto il 20% infatti l'efficienza cala al 60 o al 50%, o anche meno. Ironicamente la situazione è esasperata da meccanismi di risparmio energetico presenti nei moderni PC. Per esempio un sistema potente con una buona scheda video può richiedere 65 watt in idle, ma consumare 500 watt sotto carico; è una forbice molto alta per un alimentatore, che si trova a faticare per soddisfare tutte le possibili richieste nel migliore dei modi.
Esempio:
Diciamo che il nostro alimentatore da 600 watt sta fornendo 65 watt al sistema. Qual è il carico corrispondente?


(100% / 600 W) * 65 W = 10.83%


Ed ecco che emerge il problema. Ripetiamo i nostri calcoli, stavolta ipotizzando un'efficienza del 68%, come suggerito dalla classifica.


65 W / 0.68 = 95.6 W


Quindi per fornire 65 watt di potenza al PC l'alimentatore ne deve assorbire quasi 100 dalla presa a muro; i 30 watt di differenza se ne vanno in calore. E questo vale per il più efficiente dei due alimentatori presi in considerazione: dal grafico si vede che l'alimentatore più economico consuma molto anche quando il sistema è in idle, e finisce per diventare un costo maggiore in bolletta.
Possiamo quindi far emergere il ruolo dell'efficienza energetica, ed è altrettanto semplice dimostrare che l'alimentatore economico si rivelerà, sul lungo periodo, spesso più costoso rispetto a quanto si possa pensare. Come dice il proverbio, chi più spende meno spende.
Corrente e potenza in idle
La cosiddetta corrente in idle – risultato dell'induttività - ha un ruolo molto importante in un alimentatore a commutazione. E non ha niente a che fare con lo stato idle del computer. Questa corrente va da un generatore a un carico, ma senza alimentare quest'ultimo in alcun modo. In questo contesto con il termine carico ci riferiamo a un elemento che assorbe energia, non al PC. Vedetela come una sorta di "mezzo di trasporto" per l'energia, nulla di più.
Questa corrente in idle si deve ridurre il più possibile e rapidamente, poiché causa una perdita di energia in corrispondenza dei resistori, che diventa calore. Questo consumo in idle è uno spreco e dovrebbe essere tenuto il più basso possibile con un circuito appropriato.
Potenza effettiva ed apparente
Il consumo effettivo misura l'energia usata veramente, mentre quello apparente si riferisce alla somma totale della potenza effettiva e del consumo in idle cumulativo.
Fattore di potenza
Questo fattore è il risultato del rapporto tra consumo effettivo e apparente, e ricade tra 0 (peggiore) e 1 (ideale). Nello scegliere un alimentatore, dovreste sempre cercarne uno con fattore di potenza elevato, perché è un valido indicatore della qualità.
Applicazione pratica

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Linee guida, regole e regolamenti
Uno degli indicatori più importanti dell'efficienza di un alimentatore è la conformità alle linee guida Energy Star 5.0 e allo standard 80 Plus. Quest'ultimo si applica principalmente agli alimentatori per computer, ed è riconosciuto in tutto il mondo. Inoltre in Europa ci sono la normativa CE e le linee guida ErP.
Gli alimentatori 80 PLUS sono più efficienti
Le specifiche, le norme e le linee guida che abbiamo appena menzionato hanno tutte l'obiettivo di individuare alimentatori di alta qualità ed efficienza. Per rispettarle gli alimentatori devono passare una serie di test, e se li superano possono ottenere un bollino che ne certifica il livello di efficienza.
I test per stressare l'alimentatore potrebbero non corrispondere a quelli definiti dalle specifiche ATX, ma in questo caso è accettabile. La buona notizia per noi utenti europei è che siccome le prove sono condotte usando le tensioni statunitensi - più basse - questi alimentatori possono raggiungere livelli di efficienza persino maggiori con la tensione a 220 volt della rete elettrica europea.

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Il concetto originario della certificazione 80 PLUS è stato rivisto, con nuovi e più stringenti livelli di efficienza, che si declinano in bronze, silver, gold e platinum. Si può intuire che gli alimentatori "80 PLUS Gold" e "80 PLUS Platinum" sono più efficienti, ma i loro circuiti sono anche più complessi, e quindi il prezzo finale è più alto.
Nella tabella potete vedere a quali livelli di efficienza corrispondono le varie certificazioni.

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Quando è spento non è davvero spento: qualche parola sul consumo in standby
Quando arrestate il sistema, l'alimentatore non si spegne completamente; una misura necessaria per rendere possibili funzioni come la Wake-on-LAN – che permette di riattivare il computer tramite la rete. Un alimentatore quindi continua a consumare energia anche a computer spento. Per fortuna i nuovi alimentatori, specialmente quelli certificati per essere conformi a ErP/EuP, consumano meno di 1 watt in questa modalità standby. Se avete a cuore i consumi di energia, puntate sul modello più recente con supporto ErP, e se non avete necessità di attivare il PC da remoto, spegnetelo dall'interruttore o usate una ciabatta elettrica con pulsante d'accensione.
Quali canali sono davvero importanti?
Questo ci porta a uno degli aspetti più importanti dei moderni alimentatori, cioè la potenza che sono in grado di fornire a differenti tensioni. Oggigiorno i PC assorbono la maggioranza della loro energia dal canale +12 volt, mentre le altre due tensioni, 3.3 e 5 volt giocano un ruolo meno importante. Questo è il motivo per cui potete usare la seguente regola: se il canale 12 volt di un alimentatore può fornire tutta l'energia richiesta con del margine, anche le tensioni inferiori sono adeguate

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Questo tuttavia non si applica necessariamente al caso contrario. Confrontiamo le etichette con le specifiche di due modelli di alimentatori:

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Il secondo modello si presenta come un'unità da 550 watt, ma i canali a dodici volt arrivano solo a 380, e solo se anche gli altri canali sono sotto carico; ma nessuno ha bisogno di 315 watt sui canali da 3.3 e 5 volt. In pratica questo alimentatore dovrebbe raggiungere il suo limite con un carico di 350 watt sul canale da 12 volt.
Ironia della sorte, anche un buon alimentatore da 425 watt potrebbe offrire più energia di questo modello a 12 volt. Non cadete in questo tipo d'inganno.
Costi iniziali e risparmio energetico
I prodotti di qualità costano di più, ma non sempre fanno risparmiare sul lungo periodo. Abbiamo quindi esaminato alcuni elementi più specifici, per capire qual è l'alimentatore migliore per ogni contesto, e quanto può farci risparmiare. Alcuni risultati potrebbero sorprendervi!
Non è sufficiente concentrarsi solamente sull'aspetto finanziario, perché bisogna considerare anche la durata nel tempo, l'affidabilità e la sicurezza. Entreremo nel dettaglio di questi punti nella prossima pagina.
I circuiti di protezione negli alimentatori moderni

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Sotto trovate la tabella con le più importanti abbreviazioni per i meccanismi di protezione che si trovano sugli alimentatori moderni, e che prevengono rotture inaspettate e potenzialmente pericolose.

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Un alimentatore di qualità accettabile dovrebbe contenere un chip di protezione digitale. Purtroppo ci sono ancora alcune aziende che vendono modelli a bassissimo prezzo con un tradizionale fusibile e un varistore a fare da protezione contro corto circuiti e da surriscaldamento – una definizione che magari soddisfa i termini legali, ma che può anche essere il preambolo a un disastro.
Quando spendere poco può rivelarsi molto caro

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Qui abbiamo due esempi perfetti di cosa succede quando un'azienda taglia il tagliabile: la situazione può farsi scottante. Queste immagini parlano da sole, quindi fatevi il favore e acquistate un alimentatore decente.
Ora che abbiamo concluso la teoria, è tempo di mettere in pratica quanto imparato. È importante, prima di tutto, dare uno sguardo ad alcuni dei componenti di computer e al loro consumo.
Una semplice addizione
Online ci sono molti sistemi di calcolo pensati per aiutarvi a capire quanta energia potrebbe richiedere il vostro futuro PC, ma tutti condividono una grande debolezza: sono basati sui consumi massimi, e prendono in considerazione l'efficienza massima di un alimentatore con un carico del 50/55 percento, facendo una proiezione generosa basata su questi numeri. Questo metodo quindi non considera il consumo di un computer quando è in idle che, come abbiamo visto, è il momento peggiore per l'efficienza.
La seguente tabella è pensata come una guida, che vi mostra quanto consuma un determinato componente sotto un specifico carico di lavoro. Se conoscete i dati esatti dei vostri componenti, potete collegarli anziché fare conti.

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La seguente tabella è pensata come una guida, che vi mostra quanto consuma un determinato componente sotto un specifico carico di lavoro. Se conoscete i dati esatti dei vostri componenti, potete collegarli anziché fare conti.

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Ora che abbiamo un'idea di quanta energia assorbe ogni componente, è semplice calcolare il consumo generale in idle e sotto carico. Basandoci su questa informazione, definiremo una finestra di energia e sceglieremo il miglior alimentatore per il lavoro basato sulle loro caratteristiche individuali.
L'importanza della forbice energetica
Sappiamo che molti meccanismi e tecniche possono aiutare a ridurre il consumo quando il sistema non deve fare nulla, e questo è vero specialmente per sistemi veramente potenti, che riescono a essere piuttosto sobri in idle e molto esigenti sotto carico massimo. Chiamiamo questa differenza "forbice energetica", un parametro che ci aiuta a definire meglio i requisiti individuali di un sistema.
Per la prossima parte dell'analisi usiamo quattro alimentatori come esempi. Questi includono un modello a buon mercato e alta potenza (linea viola), un alimentatore 80 PLUS (blu), un altro modello 80 PLUS Bronze (arancione-marrone) e infine un'opzione 80 PLUS Gold (giallo), capace di fornire tra 500 e 525 W.
Come alimentatore "scontatissimo" abbiamo scelto un modello da 750 watt, per assicurare che fosse davvero capace di raggiungere i 500 watt. Quando diamo uno sguardo alle rispettive curve d'efficienza in un determinato scenario, possiamo vedere differenze alquanto ovvie (e spiacevoli):

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Come potete vedere non è detto che sia abbastanza comprare un alimentatore efficiente da 500 watt. Questi grafici però dovrebbero aiutarci a capire quanto è importante scegliere la giusta "dimensione" dell'alimentatore, almeno quanto qualità ed efficienza. Potete raggiungere un risultato ottimale solamente prendendo in considerazione tutti e tre questi fattori.


Test 1: PC da ufficio


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Speravamo di poter usare un alimentatore Jumper di Huntkey da 300 watt con certificazione 80 Plus Gold come standard, ma purtroppo non è arrivato in tempo, e lo abbiamo sostituito con il Super Flower 450 W Golden Green, un po' troppo per questa attività.

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Risultati: PC da ufficio
Ora passiamo alle grandi rilevazioni. Come si posizionano i nostri contendenti? Beh, date un'occhiata voi stessi. Ci sono certamente alcune differenze evidenti:

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Diciannove watt separano l'alimentatore peggiore da quello migliore in idle, con il Be Quiet e il Rasurbo che prendono le prime posizioni.Il modello Super Flower con certificazione Gold è terzo, con i due alimentatori più convenienti nelle retrovie.


Questa classifica non cambia molto quando osserviamo il normale scenario d'uso, dove la differenza tra il primo e l'ultimo posto scende a 11 watt. Tuttavia il Rasurbo e il Be Quiet si scambiano le posizioni mentre il resto delle posizioni rimane invariato.


Sotto carico la differenza tra il migliore e il peggiore sale a 14 watt, con il Super Flower che ottiene la leadership davanti al Rasurbo e Be Quiet. Nel mentre sembra che la curva dell'efficienza dell'alimentatore Hardwaremania24 a bassissimo costo inizi nuovamente a crollare, facendo sì che questo prodotto appaia come un modello da 250 watt etichettato. Se volete provare un 300 watt con un alimentatore come questo, tenete un estintore a portata di mano.


PC da ufficio: conclusioni
In tutti e tre gli scenari i modelli 80 PLUS certificati occupano i primi tre posti. È interessante notare che l'alimentatore Super Flower con certificazione Gold emerga sopra gli altri modelli solo sotto massimo carico. In questo caso non sembra che il suo prezzo sia giustificato. A essere onesti è penalizzato in qualche modo per essere il modello con la maggiore capacità. Il Super Flower ha però un vantaggio dal momento che è semi-passivo, e quindi molto silenzioso con i carichi presi in considerazione

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Purtroppo due dei nostri alimentatori non sono sopravvissuti a questo scenario. Questo fatto non ci ha sorpresi, considerando ciò che abbiamo detto sull'etichetta che indicava più potenza rispetto al valore realistico. Più interessante è piuttosto il momento in cui l'alimentatore alza bandiera bianca:

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Conclusioni
Rasurbo mantiene la leadership quando il sistema è in idle. Quando l'uso del computer è normale il Super Flower passa davanti, anche se di un margine ridotto. Nonostante il prezzo notevolmente superiore, l'unità di Enermax si piazza al terzo posto. LC-Power e la soluzione Hardwaremania24 a basso costo occupano le retrovie.
Sotto carico massimo Enermax può finalmente passare in seconda posizione, subito dietro al Super Flower. Il Real & Power RAP 350 W di Rasurbo si scontra contro il proprio limite, come conferma la riduzione dell'efficienza. Ha poca potenza per questo computer, ed è per questo che non raccomandiamo questa combinazione per un uso duraturo. Passare a una Radeon HD 6850 potrebbe però alleviare questo problema.
Per far competere i nostri due candidati a basso costo, abbiamo dovuto usare alcuni adattatori PCIe in modo da fornire energia alla scheda video. Il modello da 350 W di LC Power è morto all'improvviso, emettendo un sibilo e una leggera nube di fumo. Abbiamo deciso di non continuare il test con il modello Hardwaremania24 sotto carico, perché iniziava a emanare un odore pungente all'avvio di Google Earth con il nostro scenario di carico normale. Abbiamo considerato quell'avvertimento sufficiente e abbiamo scelto di proteggere il resto della configurazione hardware dall'imminente tracollo. Non stiamo esagerando, quel particolare modello è privo di qualsiasi tipo di meccanismo di protezione, al di là di un lentissimo e piccolo fusibile.


Test 3: PC di fascia alta


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PC di fascia alta: conclusioni
Ancora una volta abbiamo spinto di proposito alcuni dei nostri candidati al loro limite, e persino oltre. Il modello Super Flower, nominalmente attestato a 450 W, è rimasto sorprendentemente stabile in tutti gli scenari. Si è comportato più come un buon modello da 500 watt, anche se era vicino al proprio limite.
Con il sistema in idle il Corsair AX 750 è un po' in svantaggio rispetto agli altri contendenti,ma con l'aumentare dei consumi migliora anche la sua efficienza. L'Enermax Modu 82+ II ErP 525 W non ha punti di forza o debolezza e conclude a metà del gruppo. È piacevolmente silenzioso. Lo stesso vale per il Corsair, che combina una rumorosità ridotta con la potenza massima. Non è così conveniente, ma è davvero una buona soluzione.
Raptoxx d'altra parte è conveniente e fa un buon lavoro, ma è piuttosto rumoroso. Consuma 15 o 20 watt in più, che tendono a bilanciarsi nel tempo, e nessuno dei modelli più costosi sarebbe in grado di ammortizzare il prezzo maggiore tramite il risparmio energetico.
L'Aerocool VT12XT 600 W è più costoso rispetto al Raptoxx, ma anche più silenzioso e più sobrio quando si tratta di uso dell'energia. Ancora una volta, è improbabile che sia in grado di recuperare il prezzo più elevato rispetto al Raptoxx grazie al suo basso consumo energetico.
Conclusioni
Possiamo sintetizzare quanto abbiamo rilevato in cinque punti concisi:


Scegliere la giusta potenza è spesso più efficace che scegliere l'alimentatore sbagliato con un livello di efficienza superiore.


L'acquisto di un alimentatore con una potenza troppo elevata, solo per sicurezza, è controproducente e ha senso solo se avete veramente bisogno di energia extra all'occorrenza.


Alimentatori 80 PLUS Gold e Bronze convenienti hanno senso in sistemi con un'ampia forbice energetica.


Non credere ciecamente ai numeri sui watt di potenza presenti sulla scatola. Fatevi furbi, pensate, controllate i numeri e fate i calcoli da soli.


State lontani da offerte troppo allettanti per essere vere. Non è possibile avere un buon alimentatore da 500 W per 30 euro. Quell'affare potrebbe scoppiarvi in faccia. Letteralmente.

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Considerate questa immagine un avvertimento. Speriamo che la nostra analisi abbia contribuito a chiarire alcuni equivoci e forse anche a darvi una nuova prospettiva sul mondo degli alimentatori. Potrebbe trattarsi di un componente che riceve meno attenzione rispetto a CPU e schede grafiche, ma non va preso alla leggera. Cercare di risparmiare troppo potrebbe finire per costarvi molto di più sul lungo periodo.

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