¿Por qué las laptops necesitan transformadores más grandes que los teléfonos móviles?

Question

Me preguntaba por qué un adaptador de corriente para computadora portátil es tan grande. La mayoría de las computadoras portátiles que he visto usan un suministro de corriente de ~19V. Utilizando la ecuación del transformador, y considerando 100 vueltas en el primario (solo una suposición), y un suministro de corriente de 220V, calculé que debería haber alrededor de 8 vueltas en el secundario. Utilizando la misma ecuación para un cargador de teléfono móvil (5V) y considerando 100 vueltas en el primario, debería haber alrededor de 3 vueltas en el secundario. Entonces no debería haber mucha diferencia de tamaño entre el transformador utilizado en un cargador de teléfono celular y un cargador de computadora portátil. ¿Entonces por qué los adaptadores de cargador para computadoras portátiles son tan grandes mientras que un adaptador de cargador de teléfono celular es pequeño?

Answer 1

Las laptops y los teléfonos celulares utilizan fuentes de alimentación conmutadas, por lo que los adaptadores no son transformadores simples.

Para una determinada tecnología, existe una relación entre la capacidad de potencia (medida en vatios) y el tamaño (volumen, específicamente). Así, un teléfono celular que necesita 2.1A a 5V (aproximadamente 10W) puede utilizar un adaptador de CA mucho más pequeño y ligero que el de una computadora portátil que requiere 19V a 4.62A (aproximadamente 90W).

Answer 2

En realidad, ni las laptops ni los teléfonos celulares utilizan un transformador, per se.

Lo que utilizan, en su lugar, se llama "Fuente de Alimentación de Modo Conmutado" que rectifica la entrada de CA de 110 o 220V en un capacitor DC, luego utiliza un microcontrolador de conmutación de múltiples KHz para pulsar a través de un inductor y "convertir" el voltaje hacia abajo. Esto requiere mucho menos espacio que un transformador de 50Hz en un núcleo grande y pesado, y suele ser más eficiente también.

En cuanto a por qué el convertidor de la laptop es generalmente mucho más grande que los cargadores USB para teléfonos celulares/tabletas, etc. Eso es una cuestión de manejo de energía. Debido a la mayor demanda de voltaje y corriente por parte de la laptop, su fuente de alimentación necesita cables más gruesos, un inductor más grande y componentes de conmutación de mayor potencia. Además, con más energía pasando a través de él, hay más calor que disipar.

Debido a la necesidad de componentes más grandes y pesados, y una mayor disipación de calor, el cargador de la laptop simplemente debe ser más grande, siempre y cuando no estés dispuesto a pagar mucho más dinero por materiales raros y costosos.

Answer 3

Todos los adaptadores de corriente alterna (CA) modernos o fuentes de corriente continua (CC) son circuitos/sistemas de modo conmutado. Para mayor seguridad, la línea de CA puede estar aislada con un transformador. Se trata de un transformador de alta frecuencia, por lo tanto, mucho más pequeño en tamaño físico.

La corriente alterna es de 50/60Hz (ciclos por segundo). Los reguladores conmutados van desde 50kHz a Mega-Hz. Como tal, el transformador de aislamiento es mucho más pequeño. Esta es la razón del cambio de un transformador masivo a un transformador mucho más pequeño de alta frecuencia en kilo-hz.

Los ahorros de material (enrollado de cobre, núcleo de hierro), y la eficiencia de la conmutación electrónica, resultan en un costo mucho menor, mucho más eficiente energéticamente y de un tamaño más reducido.

Lo mismo que el diseño de transformador antiguo aquí: el lado de 'salida' (secundario) del transformador se rectifica para obtener un Voltaje continuo en crudo. Para el tamaño más pequeño, la proporción del enrollado del transformador podría ser de 1:1 (salida a 110VCA, EE. UU.). ¡Alta tensión! O cualquier proporción para el mejor diseño general. La diferencia: El Voltaje continuo en crudo es la fuente de alimentación de corriente continua solo para un circuito conmutado, no para la salida. La salida del circuito conmutado es la fuente de alimentación de corriente continua final.

Circuito conmutado simplificado: cuando el interruptor está encendido, el Voltaje continuo en crudo carga la bobina. Cuando está apagado, el Voltaje continuo en crudo se desconecta de la bobina. Ahora, por la naturaleza de la bobina, la bobina libera la energía de sí misma. Los interruptores en sus terminales 'suceden' a estar encendidos y conectados a un capacitor. La bobina libera su energía al capacitor. Este capacitor es el capacitor de suavización de corriente continua de salida, que también actúa como un almacenamiento de energía secundario.

La carga en la salida, mientras tanto, continúa agotando la energía del capacitor. La bobina recarga el capacitor de vez en cuando. El Voltaje continuo en crudo reabastece la energía de la bobina, de vez en cuando.

En el caso no aislado, sin transformador, el Voltaje continuo de 110VCA (EE. UU.) se rectifica directamente (¡alta tensión peligrosa!) para formar el Voltaje continuo en crudo (alrededor de 120-150Vcc).

El resto de la electrónica regula el Voltaje de salida. Cuando el capacitor alcanza el Voltaje deseado, se desconecta la bobina del capacitor, evitando que se cargue a un Voltaje cada vez más alto. Al mismo tiempo, la bobina se vuelve a conectar al Voltaje continuo en crudo para recargarse. Cuando la salida se agota demasiado, la bobina se vuelve a conectar al capacitor para recargarlo.

La frecuencia de conmutación se elige para obtener resultados óptimos, considerando el tamaño físico, la eficiencia y el costo.

En resumen: rectificar; alto Voltaje de corriente continua; cargar la bobina; liberar la energía de la bobina al capacitor de salida; repetir.

Por naturaleza, el circuito de conmutación NO está aislado (conmutación de CC a CC). Al menos un cable es común, una conexión directa de la entrada a la salida.

Si no se necesita aislamiento (por ejemplo, en un paquete cerrado, como una bombilla), quizás no se requiera un transformador. El aislamiento es por seguridad, por lo que se añade un transformador. Cuanto menor sea la frecuencia, menos eficiente será la conversión eléctrico-magnética. Seguramente, a una frecuencia demasiado alta, la eficiencia de conversión comienza a disminuir. Resumen de la bobina: un transformador de aislamiento opcional. Al menos una bobina para almacenar energía como un método para transferir energía de la entrada a la salida.

Extra para la mente inquisitiva: ¡Omite la bobina! Todo lo que necesitas es un interruptor para cargar el capacitor de salida (¡modo de conmutación de capacitor!), directamente desde el Voltaje continuo en crudo. Cuando se alcanza el Voltaje de salida deseado, se apaga. ¡Listo! Se ahorra un componente de bobina. Podrías decir: ¿No se necesita un Voltaje para cargar un capacitor? De acuerdo, añade un resistor limitador de corriente. El resistor sigue siendo mucho más barato que una bobina. ¿Por qué se necesita una bobina? Más ... ¿Por qué no rectificar directamente la CA 110V, luego suministrar el Voltaje continuo en crudo para un generador de alta frecuencia que impulse un transformador de alta frecuencia? ¡En lugar de 60Hz, ahora tienes un sistema de CA de 50kHz! El mismo transformador pequeño. Luego, el transformador reduce el Voltaje de CA. ¡Rectificar, voilá! [Pista: eficiencia y potencia de salida].

[Eficiencia: Energía en el capacitor= (1/2)xCV^2; equivalente de la bobina: (1/2)Li^2. A medida que el Voltaje en el capacitor (o equivalente para la bobina) aumenta, es más eficiente: V se eleva al cuadrado. Elevar al cuadrado 5V=25. Elevar al cuadrado 100V=10,000. Liberar 5V al capacitor/bobina es solo eso. Liberar 105V (110V-5V de salida) en una bobina, ¡guau!]

Answer 4

Para empezar, los teléfonos móviles tienen una batería de 3.8V/5V, el paquete de iPad que tengo a mi lado es de 3.8v, por lo que no necesitan un transformador tan grande. Por otro lado, las computadoras portátiles tienen una batería más grande y requerirán más energía para cargarse, el cargador cargará el paquete a un voltaje más alto del que está clasificado para cargarlo.