¿Por qué muchos portátiles funcionan con 19 voltios?

Question

Normalmente, los dispositivos móviles con alimentación de red aceptan un voltaje que es múltiplo de algún voltaje de batería simple. Por ejemplo, 4,5 voltios es 1,5 voltios (pila primaria AA) 3 veces y 36 voltios es 3,6 voltios (pila Li-Ion) 10 veces.

Ahora hay portátiles que utilizan fuentes de alimentación externas de exactamente 19 voltios. Eso no es un múltiplo de nada adecuado. Me desconcierta mucho.

¿De dónde procede esta tensión?

Answer 1

Ahora hay portátiles que utilizan fuentes de alimentación externas de exactamente 19 voltios. Eso no es un múltiplo de nada adecuado. Me desconcierta mucho.

No se trata de una cuestión de diseño tal y como se plantea, pero tiene relevancia para el diseño de los sistemas de carga de baterías.

Resumen:

• El voltaje es algo más que un múltiplo del voltaje con carga completa de una batería de iones de litio, el tipo utilizado en casi todos los portátiles modernos.

• La mayoría de los ordenadores portátiles utilizan baterías de iones de litio.

• 19 V proporciona un voltaje adecuado para cargar hasta 4 celdas de iones de litio en serie utilizando un convertidor buck para reducir el exceso de voltaje de forma eficiente.

• Se pueden acomodar varias combinaciones de células en serie y en paralelo.

• Se pueden utilizar tensiones ligeramente inferiores a 19 V, pero 19 V es una tensión estándar útil que satisfará la mayoría de las eventualidades.

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Casi todos los portátiles modernos utilizan baterías de iones de litio (LiIon). Cada batería consta de al menos un número de celdas de iones de litio en una "cadena" en serie y puede consistir en una serie de combinaciones en paralelo de varias cadenas en serie.

Una célula de iones de litio tiene una tensión de carga máxima de 4,2 V (4,3 V para los valientes y temerarios). Para cargar una célula de 4,2 V se necesita al menos un poco más de tensión para proporcionar un poco de "margen" que permita el funcionamiento de la electrónica de control de la carga. Como mínimo, unos 0,1 V adicionales podrían servir, pero normalmente al menos 0,5 V serían útiles y se podría utilizar más.

Una célula = 4,2 V
Dos células = 8,4 V
Tres células = 12,6 V
Cuatro células = 16,8 V
Cinco células = 21 V.

Es habitual que un cargador utilice un fuente de alimentación conmutada (SMPS) para convertir la tensión disponible en la necesaria. Un SMPS puede ser un Convertidor Boost (sube la tensión) o Convertidor Buck (baja la tensión) o cambia de uno a otro según sea necesario. En muchos casos, un convertidor buck puede ser más eficiente que un convertidor boost. En este caso, utilizando un convertidor buck sería posible cargar hasta 4 celdas en serie.

He visto baterías de portátiles con

3 células en serie (3S),
4 células en serie (4S),
6 células en 2 cadenas paralelas de 3 (2P3S),
8 células en 2 cadenas paralelas de 4 (2P4S)

y con una tensión de fuente de 19 V sería posible cargar 1, 2, 3 o 4 celdas de LiIon en serie y cualquier número de cadenas en paralelo de éstas.

Para las células a 16,8 V se deja un margen de (1916,8) = 2,4 voltios para la electrónica. La mayor parte no se necesita y la diferencia la cubre el convertidor buck, que actúa como una "caja de cambios electrónica", tomando la energía a un voltaje y emitiéndola a un voltaje más bajo y con una corriente más alta.

Con un margen de 0,7 V sería posible utilizar, por ejemplo, 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V de la fuente de alimentación, pero el uso de 19 V garantiza que hay suficiente para cualquier eventualidad y que el exceso no se desperdicia, ya que el convertidor buck reduce la tensión según sea necesario. La caída de voltaje que no sea en la batería puede ocurrir en el interruptor SMPS (normalmente un MOSFET ), diodos SMPS (o rectificador síncrono), cableado, conectores, elementos de detección de corriente resistiva y circuitos de protección. Es deseable que la caída sea lo más pequeña posible para minimizar el desperdicio de energía.

Cuando una célula de iones de litio está casi descargada, su tensión en los bornes es de unos 3 V. El nivel de descarga permitido está sujeto a consideraciones técnicas relacionadas con la longevidad y la capacidad. A 3 V/célula 1/2/3/4 células tienen un voltaje terminal de 3/6/9/12 voltios. El convertidor buck se adapta a esta tensión reducida para mantener la eficiencia de la carga. Un buen diseño de convertidor buck puede superar el 95 % de eficiencia y en este tipo de aplicación nunca debería estar por debajo del 90 % de eficiencia (aunque algunos pueden estarlo).

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Recientemente he sustituido la batería de un netbook de 4 celdas por una versión de mayor capacidad con 6 celdas. La versión de 4 celdas funcionaba en configuración 4S y la de 6 celdas en 2P3S. A pesar del menor voltaje de la nueva batería, el circuito de carga se adaptó al cambio, reconociendo la batería y ajustándose en consecuencia. Hacer este tipo de cambio en un sistema NO diseñado para acomodar una batería de menor voltaje podría ser perjudicial para la salud de la batería, el equipo y el usuario.

Answer 2

La respuesta de Russell ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) hace un gran trabajo al fijarse en los detalles. Esta respuesta se centra más en los aspectos más amplios de tu pregunta.

Normalmente, los dispositivos móviles que tienen una alimentación de red aceptan un voltaje que es múltiplo de algún voltaje de la batería.

No creo que esto sea generalmente cierto.

Es cierto que algunos dispositivos tienen entradas de alimentación cuya tensión nominal es algún múltiplo de la tensión nominal de la célula. Suelen ser aparatos que pueden funcionar tanto con la red como con la batería, pero que no cargan su propia batería a partir de la red. Los dispositivos que sí cargan sus propias baterías son otra cosa.

En general, se desea que la tensión de entrada al circuito de carga esté por encima de la tensión de la batería durante todo el ciclo de carga.

Una célula de iones de litio/polímero tiene un voltaje nominal de 3,7V o así, pero el voltaje necesario para cargarla completamente es más bien de 4,2V y el voltaje cuando está totalmente descargada puede ser más bien de 3V. Las baterías de los ordenadores portátiles suelen tener 3-4 celdas en serie. Así que 19V da una cantidad razonable de espacio para el circuito de carga.

Los teléfonos móviles, las tabletas y otros dispositivos móviles similares con baterías de iones de litio monocelulares tienden a utilizar una tensión de entrada de 5V. Estoy seguro de que esto se debe en parte al deseo de funcionar con USB, pero también a que ofrece una cantidad razonable de margen para cargar una batería de iones de litio/polímero de una sola célula.

Answer 3

Esta es una excelente pregunta de diseño de ingeniería "inversa".

Todos los ordenadores móviles pueden utilizar una filosofía similar de cargador de batería dc-dc, pero pueden utilizar diferentes chips y perfiles. gestionado por el portátil, no por el cargador externo. A menudo se puede utilizar una gama más amplia de tensiones de cargador con más capacidad, debido a la capacidad interior de reducir una gama de entradas a menudo más amplia que la especificada. Los rangos extremos pueden reducir la eficiencia y aumentar la potencia máxima durante la carga muerta mientras la pantalla está a pleno brillo. La retroiluminación es el mayor consumo constante y la CPU/GPU tienen los mayores picos para el uso de alto rendimiento. (i7 quad cores etc)

Cargadores de batería universales.
Compré un cargador universal durante un largo viaje por carretera. Más tarde decidí utilizarlo para alimentar 60 vatios de LEDs. El cargador tenía especificaciones de 15~24V, 63W máximo. Tenía un cabezal de 6 pines justo antes de los enchufes de alimentación coaxial intercambiables. Uno de los pines era una línea de detección remota de la tensión del enchufe para compensar las pérdidas de la línea de CC. Caractericé la entrada y descubrí que podía usarse para regular la salida de 5~50V con un rango de control de entrada de 2,5V centrado en 3V. Utilicé un Log Pot, unas pocas resistencias, un LED y un tapón para controlar este dimmer personalizado desde el 10 al 100% utilizando toda la potencia disponible y mi esposa estaba muy contenta con la luz solar del LED sobre la ventana de la bahía con un cajón de huevos negro a prueba de reflejos. Fue alrededor de 3 veces más brillante que la luz solar directa en el máximo.

En cualquier caso, todos los ordenadores móviles tienen que regular el suministro externo, por lo que el voltaje exacto no es tan crítico y se puede salir con un rango más amplio. Cuanto menor sea el voltaje de entrada, mayor será la corriente y viceversa, debería funcionar pero la eficiencia puede variar en el rango.

La mayoría de los móviles tienden a funcionar con voltajes de celda más bajos para reducir la ESR del paquete, que afecta a la caída de voltaje bajo carga y a la propagación de la ondulación de regulación cruzada a otros reguladores que reducen y aumentan el voltaje a bordo para la CPU/ E/S y los periféricos internos, por ejemplo, 5 y 12 V.

Los paquetes de PC móviles más grandes incluyen;

9 celdas= 10.1V (3P3S) 10 celda= 7.4V (5P2S) 12 célula= 14,8 (3P4S)

Dato útil: Puedes hacer funcionar un ordenador móvil SIN batería instalada ya que el regulador de gestión de la batería simplemente no se utiliza para hacer funcionar los reguladores DC-DC internos. Esto sirve para reducir la carga de calor en los viejos ordenadores portátiles y reduce el envejecimiento de la batería incluso si se mantienen al 100% sin drenaje. (Pero se apagará en un fallo de alimentación).

También puede utilizar un cargador de mayor potencia con un voltaje adecuado para reducir el voltaje de la batería y no debería afectar mucho a la eficiencia, siempre y cuando haya una potencia adecuada.

Answer 4

El tiempo de funcionamiento de un portátil con baterías depende de cuántos vatios consume el portátil frente a cuántos vatios hora contienen las baterías. El consumo medio a lo largo del tiempo es bastante fijo, aunque el brillo de la pantalla, especialmente de las grandes, tiene un impacto notable.

Como otros han abordado, los portátiles tienen baterías de litio y para obtener más tiempo de funcionamiento se necesita más energía (vatios hora) por lo que se necesitan más baterías o de mayor capacidad. El tamaño del portátil generalmente limita el tamaño de la batería, por lo que se obtiene más energía utilizando más baterías y, por lo general, esas baterías se ponen en serie (se necesitan menos circuitos (=más baratos) para cargar correctamente cuando las baterías están en serie en lugar de en paralelo), lo que da lugar a la tensión de funcionamiento en bruto del portátil. Los convertidores DC/DC internos toman esa tensión bruta no regulada y producen las bajas tensiones reguladas (3,3VDC, etc.) que necesita la electrónica.

Para cargar esas baterías, el circuito de carga interno necesita un voltaje de entrada que es aproximadamente un voltio más alto que el voltaje de carga completa de las baterías de litio. Además, la fuente de alimentación externa de fabricación china tiene una tolerancia de salida que suele ser de +/-5%. Cabe destacar que la tensión de salida real debe medirse con la carga de funcionamiento. Siempre será mayor sin carga debido a la caída (pérdida) de IR (corriente x resistencia) en el cable de CC y a la regulación de la carga de la fuente de alimentación externa, que suele ser un poco negativa.

Las fuentes de alimentación para aplicaciones críticas tienen una función llamada "Sense" que mide la tensión de salida en la carga o el conector y compensa automáticamente las pérdidas por IR, pero nunca la he visto en una fuente de alimentación externa. (aunque estamos construyendo una a medida para una aplicación de 5V/80W para los militares porque las pérdidas IR son notables con 18A fluyendo a través de sólo unos pocos pies de cable de cobre)

Si tenemos en cuenta todo esto y las 4 baterías de litio en serie que se utilizan habitualmente para los portátiles "más grandes" o que funcionan durante más tiempo con baterías, acabaremos necesitando una fuente de alimentación externa nominal de 19 VCC, que en realidad podría ser de unos 17 a 20 VCC. Los convertidores DC/DC internos para generar los voltajes DC más bajos y el circuito de carga de la batería aceptan fácilmente ese rango más probablemente otros pocos voltios más. Puedes probar el voltaje de aceptación más bajo usando una fuente de alimentación de salida variable y bajando el voltaje hasta que la "luz de carga" se apague. Sin embargo, tendría que medir esa tensión en el conector. NO pruebe el alto voltaje de aceptación, ya que puede hacer estallar fácilmente los convertidores DC/DC, haciendo que su portátil se caiga, y eso es generalmente su única indicación de que el voltaje de entrada es demasiado alto.

Por cierto, los 19VDC también son necesarios para aumentar los vatios-hora y reducir la corriente en los portátiles más grandes, ya que el omnipresente conector de barril sólo admite 5A, y eso para uno realmente bueno. La mayoría son de 2-3A. Esa es la razón principal por la que no quieres estar enchufando y desenchufando ese conector cuando tu PC está encendido, ya que quemarás los contactos, haciendo un contacto poco fiable en ese conector.

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

BTW2, los PCs también tienen un "medidor de gas" de la batería que le dice cuánto tiempo de funcionamiento le queda cuando opera con baterías. Ese "medidor" tiene que seguir la corriente que entra y sale de las baterías. (Se controla el equilibrio de la corriente en lugar de la energía, ya que la eficiencia de descarga/carga de la corriente es casi del 100%, mientras que la eficiencia de la energía varía y es significativamente inferior al 100%). Aunque son bastante precisos en tiempo real, tienen errores que se acumulan con el tiempo y la capacidad de las baterías de litio disminuye con la edad, las temperaturas de funcionamiento y los ciclos de carga. A menudo, esto hace que su PC le "diga" que no le queda tiempo de funcionamiento y que se va a apagar cuando, en realidad, la batería puede estar todavía al 50% de su capacidad, lo que hace que tenga que salir a comprar un nuevo (y caro) paquete de baterías. Cuando se enchufa la batería de repuesto, el PC reconoce la nueva batería y restablece la configuración de su capacidad. En el fondo de (¿algunos/muchos/muchos?) PCs hay una rutina de calibración de la capacidad de la batería. Si puedes acceder a ella, el PC pasará por una rutina de descarga y recarga de la batería un par de veces para recalibrar la capacidad de la batería, dándote uno o dos años más con la batería original, aunque con un tiempo de funcionamiento decreciente.

Answer 5

Los discos duros siguen siendo motores y funcionan a 12v.

Cuando lo arcaico dé paso al estado sólido 19v desaparecerá. Cuando todos los estados sólidos existentes en la placa base porque más eficiente al igual que los ICs se trasladó de 12v CMOS a los bajos niveles de 1,8 a 3,3v de hoy la necesidad de más de 5v desaparecerá. La batería se convertirá en una célula.