Perché molti laptop funzionano a 19 volt?

In genere i dispositivi mobili che dispongono di un'alimentazione di rete accettano una tensione multipla di una singola tensione della batteria. Ad esempio, 4,5 volt è 1,5 volt (batteria primaria AA) 3 volte e 36 volt è 3,6 volt (batteria Li-Ion) 10 volte.

Ora ci sono laptop che utilizzano alimentatori esterni classificati esattamente a 19 volt. Questo non è un multiplo di nulla di adatto. Mi confonde molto.

Da dove proviene questa tensione?

La scelta di 19 volt è perché è comodamente inferiore a 20 volt che è la massima tensione di uscita degli alimentatori che può essere certificata come LPS (Limited Power Source) con limiti di erogazione di energia non intrinseci.

Se riesci a mantenere una tensione pari o inferiore a 20 volt, l'intera cosa della certificazione di sicurezza diventa più semplice ed economica.

Per essere sicuri di rispettare il limite per le tolleranze di produzione, abbassare del 5%, ovvero 19 volt. Eccoti. Non ha nulla a che fare con l'organizzazione della batteria o gli schermi LCD.

Ora ci sono laptop che utilizzano alimentatori esterni classificati esattamente a 19 volt. Questo non è un multiplo di nulla di adatto. Mi confonde molto.

Questa non è una domanda di progettazione come posta, ma ha rilevanza per la progettazione di sistemi di ricarica della batteria.

Sommario:

• La tensione è leggermente superiore a un multiplo della tensione completamente carica di una batteria agli ioni di litio, il tipo utilizzato in quasi tutti i laptop moderni.

• La maggior parte dei laptop utilizza batterie agli ioni di litio.

• 19 V fornisce una tensione adatta all'uso per caricare fino a 4 celle agli ioni di litio in serie utilizzando un convertitore buck per eliminare in modo efficiente la tensione in eccesso.

• Varie combinazioni di celle serie e celle parallele possono essere sistemate.

• È possibile utilizzare tensioni leggermente inferiori a 19 V, ma 19 V è una tensione standard utile che soddisfa la maggior parte delle eventualità.

Quasi tutti i laptop moderni utilizzano batterie agli ioni di litio (LiIon). Ciascuna batteria è costituita da almeno un numero di celle LiIon in una "stringa" di serie e può essere costituita da un numero di combinazioni parallele di più stringhe di serie.

Una cella agli ioni di litio ha una tensione di carica massima di 4,2 V (4,3 V per i più coraggiosi e sciocchi). Per caricare una cella da 4,2 V è necessario almeno un po 'più di tensione per fornire un certo "margine" per consentire il funzionamento dell'elettronica di controllo della carica. Almeno circa 0,1 V in più potrebbero fare, ma in genere almeno 0,5 V sarebbero utili e ne potrebbero essere utilizzati altri.

Una cella = 4,2 V
Due celle = 8,4 V
Tre celle = 12,6 V
Quattro celle = 16,8 V
Cinque celle = 21 V.

È normale che un caricabatterie utilizzi un alimentatore switching (SMPS) per convertire la tensione disponibile in tensione richiesta. Un SMPS può essere un convertitore Boost (aumenta la tensione) o un convertitore Buck (riduce la tensione) o scambia da uno all'altro come richiesto. In molti casi un convertitore buck può essere reso più efficiente di un convertitore boost. In questo caso, utilizzando un convertitore buck sarebbe possibile caricare fino a 4 celle in serie.

Ho visto batterie per laptop con

3 celle in serie (3S),
4 celle in serie (4S),
6 celle in 2 stringhe parallele di 3 (2P3S),
8 celle in 2 stringhe parallele di 4 (2P4S)

e con una tensione di sorgente di 19 V sarebbe possibile caricare 1, 2, 3 o 4 celle LiIon in serie e un numero qualsiasi di stringhe parallele di queste.

Per celle a 16,8 V lasciare un margine di (19-16,8) = 2,4 volt per l'elettronica. La maggior parte di ciò non è necessaria e la differenza è dovuta al convertitore buck, che funge da "riduttore elettronico", assorbendo energia a una tensione e erogandola a una tensione inferiore e una corrente opportunamente più elevata.

Con 0,7 V di headroom sarebbe teoricamente possibile utilizzare diciamo 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V dall'alimentatore, ma l'utilizzo di 19 V garantisce che ci sia abbastanza per ogni evenienza e che l'eccesso non venga sprecato mentre il convertitore buck si converte la tensione scende come richiesto. Cadute di tensione diverse dalla batteria possono verificarsi nell'interruttore SMPS (di solito un MOSFET ), diodi SMPS (o raddrizzatore sincrono), cablaggio, connettori, elementi di rilevamento di corrente resistiva e circuiti di protezione. È auspicabile la minima caduta possibile per ridurre al minimo lo spreco di energia.

Quando una cella agli ioni di litio è quasi completamente scarica, la sua tensione terminale è di circa 3 V. Il livello di scarica consentito è soggetto a considerazioni tecniche relative alla longevità e alla capacità. A 3 V / cella 1/2/3/4 le celle hanno una tensione terminale di 3/6/9/12 volt. Il convertitore buck accetta questa tensione ridotta per mantenere l'efficienza di ricarica. Un buon design del convertitore buck può superare l'efficienza del 95% e in questo tipo di applicazione non dovrebbe mai essere inferiore al 90% (anche se alcuni potrebbero esserlo).

Di recente ho sostituito una batteria per netbook con 4 celle con una versione a capacità estesa con 6 celle. La versione a 4 celle funzionava in configurazione 4S e la versione a 6 celle in 2P3S. Nonostante la bassa tensione della nuova batteria, il circuito di carica ha adattato il cambiamento, riconoscendo la batteria e regolando di conseguenza. Apportare questo tipo di modifica in un sistema NON progettato per ospitare una batteria a bassa tensione potrebbe essere dannoso per la salute della batteria, dell'attrezzatura e dell'utente.

La risposta di Russell ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) fa un ottimo lavoro nel guardare i dettagli. Questa risposta si concentra maggiormente sugli aspetti più ampi della tua domanda.

In genere i dispositivi mobili che dispongono di un'alimentazione di rete accettano una tensione multipla di una singola tensione della batteria.

Non penso che questo sia generalmente vero.

È vero che alcuni dispositivi hanno ingressi di alimentazione la cui tensione nominale è un multiplo della tensione nominale della cella. Tendono ad essere dispositivi in ​​grado di scaricarsi dalla rete o dalla batteria ma che non caricano la propria batteria dall'alimentazione di rete. I dispositivi che caricano le proprie batterie sono un'altra questione.

In generale, si desidera che la tensione di ingresso al circuito di carica sia superiore alla tensione della batteria durante l'intero ciclo di carica.

Una cella agli ioni di litio / polimero è nominalmente circa 3,7 V o giù di lì, ma la tensione necessaria per caricarla completamente è più simile a 4,2 V e la tensione quando completamente caricata può essere più simile a 3 V. Le batterie dei laptop hanno generalmente 3-4 celle in serie. Quindi 19 V offre una quantità ragionevole di spazio per il circuito di ricarica.

Telefoni cellulari, tablet e dispositivi mobili simili con batterie agli ioni di litio a cella singola tendono ad utilizzare una tensione di ingresso di 5 V. Sono sicuro che questo è in parte guidato dal desiderio di esaurire l'USB, ma anche perché offre una ragionevole quantità di spazio per caricare una batteria agli ioni di litio / polimero a cella singola.

Questa è un'ottima domanda di progettazione ingegneristica "inversa".

Tutti i computer portatili possono utilizzare una simile filosofia del caricabatterie cc / cc down-converter ma possono utilizzare chip e profili diversi, che sono gestiti dal laptop, non dal caricatore esterno. Spesso è possibile utilizzare una gamma più ampia di tensioni del caricatore con più capacità, a causa della capacità interna di ridurre una gamma di ingressi spesso più ampia di quanto specificato. Le gamme estreme possono ridurre l'efficienza e aumentare la potenza massima durante la carica scarica mentre il display è a piena luminosità. La retroilluminazione è il più grande pareggio costante e la CPU / GPU ha i picchi più grandi per l'uso ad alte prestazioni. (i7 quad core ecc.)

Caricabatterie universali.
Ho acquistato un caricabatterie universale durante un lungo viaggio. In seguito ho scelto di usarlo per pilotare 60 Watt di LED. Il caricabatterie era specificato a 15 ~ 24 V, 63 W max. Aveva un'intestazione a 6 pin appena prima delle spine di alimentazione coassiali intercambiabili. Uno dei pin era una linea di rilevamento remoto per la tensione della spina per compensare la perdita della linea CC. Ho caratterizzato l'ingresso e ho scoperto che poteva essere utilizzato per regolare l'uscita da 5 ~ 50 V con un intervallo di controllo dell'ingresso da 2,5 V centrato attorno a 3 V. Ho usato un Log Pot, alcune resistenze un LED e un cappuccio per controllare questo dimmer personalizzato dal 10 al 100% usando tutta la potenza disponibile e mia moglie era molto contenta del sole del LED sopra la finestra a guscio con guscio d'uovo nero a prova di abbagliamento. Era circa 3 volte più luminoso della luce solare diretta su max.

In ogni caso, ogni computer portatile deve regolare l'alimentazione esterna in modo che la tensione esatta non sia così critica e si può cavarsela con una gamma più ampia. Più bassa è la tensione di ingresso, maggiore è la corrente e viceversa, dovrebbe funzionare ma l'efficienza può variare nell'intervallo.

La maggior parte dei dispositivi mobili tende a funzionare con tensioni di cella inferiori per ridurre l'ESR del pacco che influenza la caduta di tensione sotto carico e l'ondulazione della regolazione incrociata dalla propagazione ad altri regolatori che diminuiscono e aumentano a bordo per CPU / I / O interni e periferiche ad es. 5 e 12V.

Comprendono pacchetti PC portatili più grandi;

9 celle = 10,1 V (3P3S) 10 celle = 7,4 V (5P2S) 12 celle = 14,8 (3P4S)

Factoide utile: è possibile eseguire un computer portatile senza batteria installata in quanto il regolatore di gestione della batteria non viene semplicemente utilizzato per far funzionare i regolatori CC-CC interni. Questo serve a ridurre il carico di calore sui vecchi laptop e riduce l'invecchiamento del calore della batteria anche se rimangono al 100% senza scarico. (Ma ti spegnerai per un problema tecnico.)

Puoi anche cavartela con un caricabatterie più grande con una tensione adeguata per scendere alla tensione della batteria e ciò non dovrebbe influire molto sulle prestazioni in termini di efficienza fintanto che è presente una potenza adeguata.

Il 19 volt è per caricare il pacco batteria che ha più celle agli ioni di litio in serie. L'elettronica interna del laptop è alimentata da un regolatore di commutazione dalla tensione della batteria e / o dai 19 volt dell'adattatore CA. Ciò fornisce un tempo di funzionamento decente per il laptop poiché la tensione della batteria diminuisce dallo scaricamento durante l'uso. Questa è la sola ragione per 19 volt. Non ha nulla a che fare con gli interni del laptop, tranne l'alimentatore regolato a commutazione interna che si adatta al cambiamento della tensione della batteria e fornisce tensioni regolate e costanti ai sistemi interni (CPU, RAM, disco rigido, ecc.)

Il tempo di funzionamento di un laptop a batterie dipende da quanti watt consuma il laptop rispetto a quanti wattora contengono le batterie. Il consumo medio nel tempo è abbastanza fisso, anche se la luminosità dello schermo, specialmente quelli di grandi dimensioni, ha un impatto notevole.

Come altri hanno già detto, i laptop hanno batterie al litio e per ottenere più tempo di funzionamento è necessaria più energia (Watt ore), quindi è necessario disporre di batterie con capacità maggiore o maggiore. Le dimensioni del laptop generalmente limitano le dimensioni della batteria, quindi si ottiene più energia utilizzando più batterie e generalmente quelle batterie vengono messe in serie (meno circuiti necessari (= più economici) per caricare correttamente quando le batterie sono in serie piuttosto che in parallelo) che quindi risulta la tensione operativa non elaborata del laptop. I convertitori CC / CC interni prendono quindi quella tensione non regolata grezza e producono le basse tensioni regolate (3,3 V CC, ecc.) Di cui l'elettronica ha bisogno.

Per caricare quelle batterie, il circuito di carica interno necessita di una tensione di ingresso che è circa un volt superiore alla tensione completamente carica delle batterie al litio. Anche l'alimentatore esterno di fabbricazione cinese ha una tolleranza di uscita che è in genere +/- 5%. Vale la pena notare che la tensione di uscita effettiva deve essere misurata al carico operativo. Sarà sempre più alto senza carico a causa della caduta (perdita di corrente x resistenza) nel cavo CC e della regolazione del carico dell'alimentatore esterno che è generalmente un po 'negativa.

Gli alimentatori per applicazioni critiche hanno una funzione chiamata "Sense" che misura la tensione di uscita sul carico o sul connettore e compensa automaticamente la perdita IR ma non l'ho mai vista in un alimentatore esterno. (anche se ne stiamo costruendo uno personalizzato per un'applicazione 5 V / 80 W per i militari perché le perdite IR sono notevoli con 18 A che scorre attraverso pochi metri di filo di rame)

Tieni conto di tutto ciò e con le 4 batterie al litio comunemente utilizzate in serie per laptop "più grandi" o più lunghi e finisci per avere bisogno di un alimentatore esterno nominale da 19 V CC che in realtà potrebbe essere ovunque da circa 17 - 20 V CC. I convertitori CC / CC interni per la generazione di tensioni CC inferiori e i circuiti di carica della batteria accettano facilmente tale intervallo più probabilmente altri pochi volt. È possibile testare la tensione di accettazione inferiore utilizzando un alimentatore di uscita variabile e abbassando la tensione fino a quando la "spia di carica" ​​si spegne. Tuttavia, dovresti misurare quella tensione sul connettore. NON testare l'alta tensione di accettazione in quanto è possibile spegnere facilmente i convertitori CC / CC rendendo il laptop kaput e questa è generalmente l'unica indicazione che la tensione di ingresso è troppo alta.

A proposito, il 19VDC è anche necessario per aumentare i watt-ora per i tempi di funzionamento più lunghi e la corrente in basso nei laptop più grandi perché il connettore a barilotto onnipresente è valutato solo per gestire 5A - e questo è davvero buono. La maggior parte sono 2-3A. Questo è il motivo principale per cui non si desidera collegare e scollegare quel connettore quando il PC è acceso poiché si bruciano i contatti alla fine per creare un contatto inaffidabile in quel connettore.

Per ulteriori informazioni sui connettori per PC, consultare: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

BTW2, i PC hanno anche un "indicatore del gas" della batteria che ti dice quanto tempo di funzionamento ti rimane durante il funzionamento a batterie. Quel "misuratore" deve tracciare la corrente che entra e esce dalle batterie. (Il saldo attuale anziché l'energia viene monitorato poiché l'attuale efficienza di scarica / carica è quasi del 100% mentre l'efficienza energetica varia ed è significativamente inferiore al 100%). Sebbene siano abbastanza precisi in tempo reale, presentano errori che si accumulano nel tempo e la capacità delle batterie al litio diminuisce con l'età, le temperature operative e i cicli di carica. Ciò porta spesso al tuo PC a "dirti" che non hai tempo di esecuzione rimanente e si spegnerà quando, in effetti, la batteria potrebbe essere ancora al 50% della capacità, il che ti farà quindi uscire e acquistare un nuovo (e costoso) pacco batteria. Quando quella batteria sostitutiva è collegata al PC, riconosce quella nuova batteria e ripristina le impostazioni della capacità della batteria. Nel profondo (alcuni / molti / molti?) PC è presente una routine di calibrazione della capacità della batteria. Se riesci ad accedervi, il PC eseguirà una routine di scarica e ricarica della batteria un paio di volte per ricalibrare la capacità della batteria dandoti un altro anno o due sul pacco batteria originale, sebbene con un tempo di funzionamento in calo.

Se controlli i volt necessari per gli schermi LCD sui tuoi laptop, penso che troverai la risposta. Ultimamente ho smontato molti ldd di laptop e ho scoperto che richiedono alti volt.

La tensione è suddivisa per una guida 12v e una guida 5v. I mini-computer non portatili utilizzano lo stesso input 19v senza celle o display.

Le due guide sono la scheda madre @ 12V (+/- 5V e 3.3V sono fornite da questa) periferica @ 5V per unità e talvolta USB. Questi sono divisi a causa di spin-up di solito. Questo può assorbire la corrente massima e richiederebbe che la scheda madre fosse progettata per questo (guarda all'interno di un alimentatore CA e vedrai i grandi condensatori e induttori). I desktop di solito dividono USB +/- 5 V per lo stesso motivo con un gran numero di porte e daisy chain / hub. Forniscono inoltre binari aggiuntivi per GPU.

Tutto questo per cercare di mantenere costanti le tensioni per la scheda madre (CPU, memoria, I / O). Le periferiche possono tollerare molto meglio tensioni variabili (motori elettrici e convertitori cc / cc a stato solido per SSD e USB).

Le unità disco fisso sono ancora motori e funzionano a livello 12v.

Quando l'arcaico lascia il posto allo stato solido 19v scompare. Quando tutti gli stati solidi esistenti sulla scheda madre perché più efficienti proprio come i circuiti integrati sono passati da CMOS 12v ai bassi livelli da 1,8 a 3,3v di oggi, la necessità di più di 5v svanirà. La batteria diventerà una cella.

Il 19V è rimasto dai tempi in cui "lug-ables" - I computer prima dei laptop, dovevano creare -5,5 e 12 volt per la scheda madre. Avevano un alimentatore autonomo con una spina a quattro fili. Presto fu solo una spina a 2 fili, il portatile creò le 3 tensioni internamente. Da -5 a 12 è 17 volt, con i 2 volt extra, presumo come headroom per regolare la potenza. È rimasto da quello. jmarc@gmx.com