Por que muitos laptops funcionam com 19 volts?

Normalmente, os dispositivos móveis que possuem uma fonte de alimentação elétrica aceitam voltagens que são múltiplas de alguma voltagem da bateria. Por exemplo, 4,5 volts é 1,5 volts (bateria primária AA) 3 vezes e 36 volts é 3,6 volts (bateria de íon de lítio) 10 vezes.

Agora existem laptops que usam fontes de alimentação externas com exatamente 19 volts. Isso não é um múltiplo de algo adequado. Me intriga muito.

De onde essa tensão se origina?

A escolha de 19 volts é porque é confortavelmente abaixo de 20 volts, que é a tensão máxima de saída de fontes de alimentação que pode ser certificada como LPS (Limited Power Source) com limites de fornecimento de energia não inerentes.

Se você puder manter 20 volts ou menos, toda a certificação de segurança se tornará mais fácil e barata.

Para garantir que você esteja dentro do limite de tolerância de fabricação, diminua 5%, ou seja, 19 volts. Aí está você. Não tem nada a ver com organização da bateria ou telas de LCD.

Agora existem laptops que usam fontes de alimentação externas com exatamente 19 volts. Isso não é um múltiplo de algo adequado. Me intriga muito.

Esta não é uma questão de design, como foi colocada, mas tem relevância para o design de sistemas de carregamento de bateria.

Resumo:

• A voltagem é um pouco mais do que um múltiplo da voltagem totalmente carregada de uma bateria de íon de lítio - o tipo usado em quase todos os laptops modernos.

• A maioria dos laptops usa baterias de íon de lítio.

• 19 V fornece uma voltagem adequada para o carregamento de até 4 x células de íon de lítio em série, usando um conversor buck para reduzir o excesso de voltagem com eficiência.

• Várias combinações de séries e células paralelas podem ser acomodadas.

• Tensões ligeiramente abaixo de 19 V podem ser usadas, mas 19 V é uma tensão padrão útil que atenderá à maioria das eventualidades.

Quase todos os laptops modernos usam baterias de íon de lítio (LiIon). Cada bateria consiste em pelo menos um número de células de íon de lítio em uma 'sequência' de séries e pode consistir em várias combinações paralelas de várias sequências de séries.

Uma célula de íon de lítio possui uma tensão máxima de carga de 4,2 V (4,3 V para os corajosos e imprudentes). Para carregar uma célula de 4,2 V, é necessária pelo menos um pouco mais de tensão para fornecer um "espaço livre" para permitir que os eletrônicos de controle de carga funcionem. No mínimo, cerca de 0,1 V extra pode funcionar, mas geralmente pelo menos 0,5 V seria útil e mais poderia ser usado.

Uma célula = 4,2 V
Duas células = 8,4 V
Três células = 12,6 V
Quatro células = 16,8 V
Cinco células = 21 V.

É comum que um carregador use uma fonte de alimentação comutada (SMPS) para converter a tensão disponível na tensão necessária. Um SMPS pode ser um conversor Boost (aumenta a voltagem) ou um conversor Buck (reduz a voltagem) ou troca de um para o outro, conforme necessário. Em muitos casos, um conversor buck pode ser mais eficiente que um conversor boost. Nesse caso, usando um conversor buck, seria possível carregar até 4 células em série.

Eu vi baterias de laptop com

3 células em série (3S),
4 células em série (4S),
6 células em 2 cadeias paralelas de 3 (2P3S),
8 células em 2 cadeias paralelas de 4 (2P4S)

e com uma tensão de fonte de 19 V, seria possível carregar 1, 2, 3 ou 4 células Li-ion em série e qualquer número de cadeias paralelas.

Para células em 16,8 V, deixe um espaço livre de (19−16,8) = 2,4 volts para a eletrônica. A maior parte disso não é necessária e a diferença é acomodada pelo conversor buck, que atua como uma “caixa de câmbio eletrônica”, captando energia em uma voltagem e emitindo em uma voltagem mais baixa e corrente adequadamente mais alta.

Com, digamos, 0,7 V de altura livre, seria possível usar, digamos, 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V da fonte de alimentação - mas o uso de 19 V garante que haja o suficiente para qualquer eventualidade e o excesso não seja desperdiçado à medida que o conversor buck se converte a tensão baixa, conforme necessário. Queda de tensão diferente da bateria pode ocorrer no comutador SMPS (geralmente um MOSFET ), diodos SMPS (ou retificador síncrono), fiação, conectores, elementos sensoriais de corrente resistiva e circuito de proteção. É desejável o mínimo de queda possível para minimizar o desperdício de energia.

Quando uma célula de íon de lítio está quase completamente descarregada, a tensão terminal é de cerca de 3 V. A baixa capacidade de descarga é sujeita a considerações técnicas relacionadas à longevidade e capacidade. A 3 V / célula 1/2/3/4, as células têm uma tensão terminal de 3/6/9/12 volt. O conversor buck acomoda essa tensão reduzida para manter a eficiência do carregamento. Um bom design de conversor buck pode exceder 95% de eficiência e, nesse tipo de aplicação, nunca deve ser menos de 90% de eficiência (embora algumas possam ser).

Recentemente, substituí uma bateria de netbook por 4 células por uma versão de capacidade estendida por 6 células. A versão de 4 células operava na configuração 4S e a versão de 6 células no 2P3S. Apesar da tensão mais baixa da nova bateria, o circuito de carregamento acomodou a mudança, reconhecendo a bateria e ajustando-a de acordo. Fazer esse tipo de alteração em um sistema NÃO projetado para acomodar uma bateria de baixa voltagem pode ser prejudicial à saúde da bateria, do equipamento e do usuário.

A resposta de Russell ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) faz um ótimo trabalho ao analisar os detalhes. Esta resposta se concentra mais nos aspectos mais amplos da sua pergunta.

Normalmente, os dispositivos móveis que possuem uma fonte de alimentação elétrica aceitam voltagens que são múltiplas de alguma voltagem da bateria.

Eu não acho que isso geralmente seja verdade.

É verdade que alguns dispositivos têm entradas de energia cuja tensão nominal é um múltiplo da tensão nominal da célula. Eles tendem a ser dispositivos que podem ficar sem energia ou com bateria, mas que não carregam sua própria bateria da fonte de alimentação. Dispositivos que carregam suas próprias baterias são outra questão.

Em geral, você deseja que a tensão de entrada do seu circuito de carregamento fique acima da tensão da bateria durante todo o ciclo de carga.

Uma célula de íon de lítio / polímero é nominalmente de 3,7V ou mais, mas a voltagem necessária para carregá-la totalmente é mais parecida com 4,2V e a voltagem quando totalmente descarregada pode ser mais parecida com 3V. As baterias de laptop geralmente têm de 3 a 4 células em série. Portanto, 19V fornece uma quantidade razoável de espaço livre para o circuito de carregamento.

Telefones celulares, tablets e dispositivos móveis similares com baterias de íons de lítio de célula única tendem a usar uma tensão de entrada de 5V. Tenho certeza de que isso é parcialmente motivado pelo desejo de usar o USB, mas também porque fornece uma quantidade razoável de espaço para carregar uma única célula de íon de lítio / bateria de polímero.

Essa é uma excelente pergunta de projeto de engenharia "reversa".

Todos os computadores móveis podem usar uma filosofia similar de carregador de bateria dc-dc com conversor descendente, mas podem usar chips e perfis diferentes., Que são gerenciados pelo laptop, não pelo carregador externo. Freqüentemente, pode ser usada uma faixa mais ampla de tensões de carregadores com mais capacidade, devido à capacidade interna de reduzir uma faixa de entradas geralmente maior que a especificada. Intervalos extremos podem reduzir a eficiência e aumentar a potência máxima durante a carga morta, enquanto a tela está com brilho total. A luz de fundo é o maior consumo constante e a CPU / GPU tem os maiores picos para uso de alto desempenho. (i7 quad core etc.)

Carregadores de baterias universais.
Comprei um carregador universal durante uma longa viagem. Mais tarde eu escolhi usá-lo para dirigir 60 Watts de LEDs. O carregador foi especificado a 15 ~ 24V, 63W máx. Ele tinha um cabeçalho de 6 pinos logo antes das tomadas de força coaxiais intercambiáveis. Um dos pinos era uma linha de sensoriamento remoto para a tensão do plugue para compensar a perda de linha CC. Caracterizei a entrada e achei que ela poderia ser usada para regular a saída de 5 ~ 50V com uma faixa de controle de entrada de 2,5V centrada em torno de 3V. Eu usei um Log Pot, alguns resistores, um LED e uma tampa para controlar esse dimmer personalizado de 10 a 100% usando toda a energia disponível e minha esposa ficou muito feliz com a luz do sol do LED sobre a janela da baía com caixas de ovos pretas à prova de brilho. Era cerca de 3x mais brilhante que a luz solar direta no máx.

De qualquer forma, todo computador móvel precisa regular a fonte de alimentação externa para que a tensão exata não seja tão crítica e você possa obter uma faixa maior. Quanto menor a tensão de entrada, maior a corrente e vice-versa, deve funcionar, mas a eficiência pode variar na faixa.

A maioria dos celulares tende a funcionar com tensões mais baixas das células para reduzir a VHS do pacote, o que afeta a queda de tensão sob carga e a ondulação de regulação cruzada da propagação para outros reguladores que diminuem e aumentam a bordo para CPU / I / O e periféricos internos, por exemplo. 5 e 12V.

Pacotes maiores de PC móvel incluem;

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

Factoid útil: Você pode executar um computador móvel sem bateria instalada, pois esse regulador de gerenciamento de bateria simplesmente não é usado para executar os reguladores DC-DC internos. Isso serve para reduzir a carga de calor nos laptops antigos e reduzir o envelhecimento da bateria, mesmo que eles permaneçam a 100% sem perda de carga. (Mas você irá desligar devido a uma falha de energia.)

Você também pode usar um carregador de energia maior com voltagem adequada para diminuir a voltagem da bateria e não deve afetar muito o desempenho em termos de eficiência, desde que haja alimentação adequada.

Os 19 volts devem carregar a bateria que possui várias células de íons de lítio em série. Os componentes eletrônicos internos do laptop são alimentados por um regulador de comutação da tensão da bateria e / ou os 19 volts do adaptador CA. Isso proporciona um tempo de execução decente para o laptop, pois a tensão da bateria cai da descarga durante o uso. Esta é a única razão para 19 volts. Não tem nada a ver com os componentes internos reais do laptop, exceto a fonte de alimentação regulada por comutação interna que se adapta às mudanças de voltagem da bateria e fornece voltagens reguladas e constantes aos sistemas internos (CPU, memória RAM, disco rígido, etc.)

O tempo de operação de um laptop com bateria depende de quantos watts o laptop consome versus quantas watts / hora as baterias contêm. O consumo médio ao longo do tempo é bastante fixo, embora o brilho da tela, especialmente os grandes, tenha um impacto notável.

Como já foi abordado, os laptops têm baterias de lítio e, para obter mais tempo de operação, você precisa de mais energia (Watt-hora) e precisa de baterias com capacidade maior ou maior. O tamanho do laptop geralmente limita o tamanho da bateria, de modo que mais energia é obtida com o uso de mais baterias e geralmente essas baterias são colocadas em série (menos circuitos são necessários (= mais baratos) para carregar adequadamente quando as baterias estão em série e não em paralelo). então resulta na tensão operacional bruta do laptop. Os conversores CC / CC internos, então, pegam a tensão não regulamentada bruta e produzem as baixas tensões reguladas (3,3 VCC, etc.) necessárias para a eletrônica.

Para carregar essas baterias, o circuito de carregamento interno precisa de uma voltagem de entrada cerca de um volt acima da voltagem totalmente carregada das baterias de lítio. Além disso, a fonte de alimentação externa fabricada na China possui uma tolerância de saída que normalmente é de +/- 5%. Vale ressaltar que a tensão de saída real deve ser medida na carga operacional. Sempre será maior sem carga devido à queda (perda) de IV (corrente x resistência) no cabo DC e à regulação de carga da fonte de alimentação externa, que geralmente é um pouco negativa.

As fontes de alimentação para aplicações críticas têm um recurso chamado "Sense", que mede a tensão de saída na carga ou no conector e compensa automaticamente a perda de IR, mas nunca a vi em uma fonte de alimentação externa. (embora estejamos construindo um personalizado para uma aplicação de 5V / 80W para os militares, porque as perdas de IR são notáveis ​​com 18A fluindo através de apenas alguns metros de fio de cobre)

Leve em consideração tudo isso e com as 4 baterias de lítio comumente usadas em série para laptops "maiores" ou mais em funcionamento com baterias e você acaba precisando de uma fonte de alimentação externa nominal de 19 VCC, que pode estar entre 17 e 20 VCC. Os conversores CC / CC internos para gerar as tensões CC mais baixas e o circuito de carregamento da bateria aceitam facilmente essa faixa e provavelmente mais alguns volts. Você pode testar a tensão de aceitação mais baixa usando uma fonte de alimentação de saída variável e diminuindo a tensão até que a "luz de carga" se apague. No entanto, você teria que medir essa tensão no conector. NÃO teste a alta voltagem de aceitação, pois você pode explodir facilmente os conversores DC / DC, deixando o laptop em um estado de choque e essa geralmente é sua única indicação de que a voltagem de entrada está muito alta.

BTW, o 19VDC também é necessário para aumentar o watts-hora por mais tempo e a corrente diminuir nos laptops maiores, porque o onipresente conector de barril é classificado apenas para lidar com 5A - e isso é realmente bom. A maioria são 2-3A. Essa é a principal razão pela qual você não deseja conectar e desconectar esse conector quando o PC estiver ligado, pois você queimará os contatos, eventualmente causando um contato não confiável nesse conector.

Para saber mais sobre os conectores de PC, consulte: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

BTW2, os PCs também possuem um "medidor de gás" da bateria, que informa quanto tempo de execução resta ao operar com baterias. Esse "medidor" precisa rastrear a corrente que entra e sai das baterias. (O saldo atual, em vez da energia, é monitorado, pois a eficiência atual de descarga / carga é de quase 100%, enquanto a eficiência energética varia e é significativamente menor que 100%). Embora sejam razoavelmente precisas em tempo real, elas apresentam erros que se acumulam com o tempo e a capacidade das baterias de lítio diminui com a idade, as temperaturas de operação e os ciclos de carga. Isso geralmente faz com que o seu PC "avise" que você não tem tempo de execução restante e ele será desligado quando, de fato, a bateria ainda estiver com 50% da capacidade, o que fará com que você saia e compre um novo (e caro) bateria. Quando a bateria de substituição é conectada, o PC reconhece a bateria nova e redefine suas configurações de capacidade da bateria. No fundo (em alguns / muitos / mais?) PCs, existe uma rotina de calibração da capacidade da bateria. Se você puder acessar isso, o PC passará por uma rotina de descarregamento e recarregamento da bateria algumas vezes para recalibrar a capacidade da bateria, dando a você mais um ou dois anos na bateria original, embora com o tempo de operação diminuindo.

Se você verificar os volts necessários para as telas de LCD em seus laptops, acho que encontrará a resposta. Ultimamente, tenho separado muitos CDs de laptops e descobri que eles exigem alta voltagem.

A tensão é dividida para um trilho de 12v e um trilho de 5v. Os minicomputadores que não são laptops usam a mesma entrada de 19v sem células ou tela.

Os dois trilhos são mainboard @ 12V (+/- 5V e 3.3V são fornecidos a partir deste) periférico @ 5V para drives e, às vezes, USB. Estes são divididos por causa de spin-up normalmente. Isso pode consumir corrente máxima e exigiria que a placa-mãe fosse projetada para ela (olhe dentro de uma fonte de alimentação CA e você verá os grandes capacitores e indutores). Os desktops geralmente dividem USB +/- 5V pelo mesmo motivo, com grande número de portas e encadeamentos / hubs Daisy. Eles também fornecem trilhos adicionais para GPU.

Tudo isso é para tentar manter a tensão constante para a placa principal (CPU, memória, E / S). Os periféricos podem tolerar tensões variáveis ​​muito melhor (motores elétricos e conversores dc-dc de estado sólido para ssd e USB).

As unidades de disco rígido ainda são motores e operam no nível de 12v.

Quando o arcaico der lugar ao estado sólido, 19v desaparecerá. Quando todos os estados sólidos existentes na placa mãe são mais eficientes, assim como os CIs passaram de 12v CMOS para os níveis baixos de 1,8 a 3,3v de hoje, a necessidade de mais de 5v desaparecerá. A bateria se tornará uma célula.

O 19V é remanescente dos dias em que "lug-ables" - os computadores antes dos laptops, tiveram que criar -5,5 e 12 volts para a placa-mãe. Eles tinham uma fonte de alimentação independente com um plugue de quatro fios. Logo, era apenas um plugue de 2 fios, o laptop criando as 3 voltagens internamente. -5 a 12 é 17 volts, com os 2 volts extras, presumo como espaço para regular a potência. Sobra disso. jmarc@gmx.com