Warum werden viele Laptops mit 19 Volt betrieben?

In der Regel akzeptieren mobile Geräte mit Netzstromversorgung eine Spannung, die ein Vielfaches einer einzelnen Batteriespannung beträgt. Zum Beispiel sind 4,5 Volt dreimal 1,5 Volt (AA-Primärbatterie) und 36 Volt zehnmal 3,6 Volt (Li-Ion-Batterie).

Jetzt gibt es Laptops, die externe Netzteile mit einer Nennspannung von genau 19 Volt verwenden. Das ist kein Vielfaches von irgendetwas Passendem. Verwirrt mich sehr.

Woher stammt diese Spannung?

Die Wahl zwischen 19 Volt liegt darin, dass die maximale Ausgangsspannung von Stromversorgungen, die als LPS (Limited Power Source) mit nicht inhärenten Leistungsgrenzwerten zertifiziert werden kann, deutlich unter 20 Volt liegt.

Wenn Sie bei oder unter 20 Volt bleiben können, wird die gesamte Sicherheitsbescheinigung einfacher und billiger.

Um sicherzustellen, dass Sie innerhalb des Grenzwerts für Herstellungstoleranzen sind, senken Sie den Wert um 5% (19 Volt). Da bist du ja. Dies hat nichts mit der Organisation von Akkus oder LCD-Bildschirmen zu tun.

Jetzt gibt es Laptops, die externe Netzteile mit einer Nennspannung von genau 19 Volt verwenden. Das ist kein Vielfaches von irgendetwas Passendem. Verwirrt mich sehr.

Dies ist keine Entwurfsfrage, wie sie gestellt wird, aber sie ist relevant für den Entwurf von Batterieladesystemen.

Zusammenfassung:

• Die Spannung ist etwas mehr als ein Vielfaches der vollständig geladenen Spannung eines Lithium-Ionen-Akkus - der Typ, der in fast jedem modernen Laptop verwendet wird.

• Die meisten Laptops verwenden Lithium-Ionen-Batterien.

• 19 V liefern eine Spannung, die zum Laden von bis zu 4 Lithium-Ionen-Zellen in Reihe mit einem Abwärtswandler geeignet ist, um die Überspannung effizient abzubauen.

• Es können verschiedene Kombinationen von Reihen- und Parallelzellen untergebracht werden.

• Es können Spannungen von etwas weniger als 19 V verwendet werden, aber 19 V ist eine nützliche Standardspannung, die die meisten Eventualitäten erfüllt.

Fast alle modernen Laptops verwenden Lithium-Ionen-Batterien (LiIon). Jede Batterie besteht aus mindestens einer Anzahl von LiIon-Zellen in einer Reihenfolge und kann aus mehreren parallelen Kombinationen mehrerer Reihenfolgen bestehen.

Eine Lithium-Ionen-Zelle hat eine maximale Ladespannung von 4,2 V (4,3 V für Mutige und Törichte). Um eine 4,2-V-Zelle aufzuladen, ist mindestens etwas mehr Spannung erforderlich, um einen gewissen „Headroom“ zu schaffen, damit die Ladesteuerungselektronik funktionieren kann. Zumindest etwa 0,1 V mehr könnten ausreichen, aber normalerweise wären mindestens 0,5 V nützlich und es könnten mehr verwendet werden.

Eine Zelle = 4,2 V
Zwei Zellen = 8,4 V
Drei Zellen = 12,6 V
Vier Zellen = 16,8 V
Fünf Zellen = 21 V.

Es ist üblich , ein Ladegerät ein verwenden Schaltnetzteil (SMPS) , um die zur Verfügung stehende Spannung auf die erforderliche Spannung zu konvertieren. Ein SMPS kann je nach Bedarf ein Boost-Wandler (Spannungserhöhung) oder ein Buck-Wandler (Spannungsabsenkung) sein oder von einem zum anderen wechseln. In vielen Fällen kann ein Tiefsetzsteller effizienter gemacht werden als ein Hochsetzsteller. In diesem Fall könnten mit einem Tiefsetzsteller bis zu 4 Zellen in Reihe geladen werden.

Ich habe Laptopbatterien mit gesehen

3 Zellen in Serie (3S),
4 Zellen in Serie (4S),
6 Zellen in 2 parallelen Reihen von 3 (2P3S),
8 Zellen in 2 parallelen Reihen von 4 (2P4S)

und mit einer Quellenspannung von 19 V könnten 1, 2, 3 oder 4 LiIon-Zellen in Reihe und beliebig viele parallele Reihen von diesen geladen werden.

Lassen Sie für Zellen bei 16,8 V einen Headroom von (19 - 16,8) = 2,4 Volt für die Elektronik. Das meiste davon wird nicht benötigt und der Unterschied wird vom Tiefsetzsteller ausgeglichen, der als „elektronisches Getriebe“ fungiert, das Energie bei einer Spannung aufnimmt und sie bei einer niedrigeren Spannung und einem entsprechend höheren Strom abgibt.

Mit beispielsweise 0,7 V Headroom wäre es normalerweise möglich, beispielsweise 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V von der Stromversorgung zu verwenden. Die Verwendung von 19 V stellt jedoch sicher, dass für alle Eventualitäten genug vorhanden ist und der Überschuss nicht verschwendet wird, wenn der Abwärtswandler konvertiert die Spannung nach Bedarf senken. Andere Spannungsabfälle als in der Batterie können in SMPS-Schaltern (normalerweise MOSFETs ), SMPS-Dioden (oder Synchrongleichrichtern), Verdrahtungen, Steckverbindern, Widerstandsstrommesselementen und Schutzschaltungen auftreten. Ein möglichst geringer Abfall ist wünschenswert, um die Energieverschwendung zu minimieren.

Wenn eine Lithium-Ionen-Zelle fast vollständig entladen ist, beträgt ihre Klemmenspannung etwa 3 V. Wie niedrig sie entladen dürfen, hängt von technischen Überlegungen in Bezug auf die Lebensdauer und Kapazität ab. Bei 3 V / Zelle haben 1/2/3/4 Zellen eine Klemmenspannung von 3/6/9/12 Volt. Der Tiefsetzsteller nimmt diese reduzierte Spannung auf, um die Ladeeffizienz aufrechtzuerhalten. Ein gutes Buck-Converter-Design kann einen Wirkungsgrad von mehr als 95% aufweisen und sollte bei dieser Art von Anwendung niemals einen Wirkungsgrad von weniger als 90% aufweisen (obwohl dies bei einigen der Fall sein kann).

Ich habe kürzlich einen Netbook-Akku mit 4 Zellen durch eine Version mit erweiterter Kapazität mit 6 Zellen ersetzt. Die 4-Zellen-Version wurde in 4S-Konfiguration und die 6-Zellen-Version in 2P3S betrieben. Trotz der geringeren Spannung der neuen Batterie hat die Ladeschaltung den Wechsel aufgenommen, die Batterie erkannt und entsprechend angepasst. Diese Art von Änderung in einem System, das NICHT für die Aufnahme einer Niederspannungsbatterie ausgelegt ist, kann sich nachteilig auf die Gesundheit der Batterie, des Geräts und des Benutzers auswirken.

Russells Antwort ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) leistet einen großartigen Beitrag, um die Details zu untersuchen. Diese Antwort konzentriert sich mehr auf die weiteren Aspekte Ihrer Frage.

In der Regel akzeptieren mobile Geräte mit Netzstromversorgung eine Spannung, die ein Vielfaches einer einzelnen Batteriespannung beträgt.

Ich denke nicht, dass dies allgemein wahr ist.

Es ist richtig, dass einige Geräte Stromeingänge haben, deren Nennspannung ein Vielfaches der Nennzellenspannung beträgt. Es handelt sich in der Regel um Geräte, die entweder über das Stromnetz oder den Akku verfügen, jedoch keinen eigenen Akku aus dem Stromnetz laden. Eine andere Sache sind Geräte, die ihre eigenen Batterien aufladen.

Im Allgemeinen soll die Eingangsspannung Ihres Ladekreises während des gesamten Ladezyklus über der Batteriespannung liegen.

Eine Lithium-Ionen / Polymer-Zelle hat eine Nennspannung von etwa 3,7 V, die zum vollständigen Aufladen erforderliche Spannung beträgt jedoch eher 4,2 V, und die Spannung kann bei vollständiger Aufladung eher 3 V betragen. Laptop-Batterien haben in der Regel 3-4 Zellen in Reihe. 19 V bieten also einen angemessenen Headroom für die Ladeschaltung.

Mobiltelefone, Tablets und ähnliche mobile Geräte mit Lithium-Ionen-Einzelzellenbatterien weisen in der Regel eine Eingangsspannung von 5 V auf. Ich bin mir sicher, dass dies zum Teil auf den Wunsch zurückzuführen ist, USB zu nutzen, aber auch, weil es einen angemessenen Headroom zum Laden eines einzelligen Lithium-Ionen- / Polymer-Akkus bietet.

Dies ist eine ausgezeichnete "Reverse" Engineering Design-Frage.

Alle Mobilcomputer verwenden möglicherweise eine ähnliche Heruntertakt-Gleichstrom-Ladegerät-Philosophie, verwenden jedoch möglicherweise andere Chips und Profile, die vom Laptop und nicht vom externen Ladegerät verwaltet werden. Oft kann ein größerer Bereich von Ladespannungen mit größerer Kapazität verwendet werden, da der interne Lader einen häufig größeren Eingangsbereich als angegeben absenken kann. Extreme Reichweiten können den Wirkungsgrad verringern und die maximale Leistung erhöhen, wenn das Display bei voller Helligkeit leer ist. Die Hintergrundbeleuchtung ist der größte stetige Zug und die CPU / GPU hat die größten Spitzenwerte für den Hochleistungsgebrauch. (i7 Quad-Cores usw.)

Universal-Ladegeräte.
Ich habe während einer langen Reise ein Universal-Ladegerät gekauft. Ich entschied mich später dafür, damit 60 Watt LEDs zu betreiben. Das Ladegerät wurde bei 15 ~ 24V, max. 63W spezifiziert. Es hatte einen 6-poligen Stecker kurz vor den austauschbaren Koaxialsteckern. Einer der Stifte war eine Fernerkennungsleitung für die Steckerspannung, um den Verlust der Gleichstromleitung zu kompensieren. Ich habe den Eingang charakterisiert und festgestellt, dass er verwendet werden kann, um den Ausgang von 5 bis 50 V mit einem Steuerbereich von 2,5 V um 3 V zu regeln. Ich habe einen Log Pot, ein paar Widerstände, eine LED und eine Kappe verwendet, um diesen benutzerdefinierten Dimmer mit der verfügbaren Leistung von 10 auf 100% zu steuern, und meine Frau war sehr zufrieden mit dem LED-Sonnenschein über dem Erkerfenster mit der blendungsfreien schwarzen Eierkiste. Es war ca. 3x heller als direktes Sonnenlicht bei max.

In jedem Fall muss jeder mobile Computer die externe Versorgung regulieren, damit die genaue Spannung nicht so kritisch ist und Sie mit einer größeren Reichweite davonkommen können. Je niedriger die Eingangsspannung, desto höher der Strom und umgekehrt, es sollte funktionieren, aber der Wirkungsgrad kann über den Bereich variieren.

Die meisten Mobiltelefone neigen dazu, mit niedrigeren Zellenspannungen zu arbeiten, um das ESR des Akkus zu verringern, was den Spannungsabfall unter Last und die Querregelungswelligkeit davon abhält, sich auf weitere Regler auszubreiten, die für interne CPU / I / O und Peripheriegeräte, z 5 & ​​12V.

Zu den größeren mobilen PC-Paketen gehören:

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

Nützlicher Faktor: Sie können einen mobilen Computer ohne installierte Batterie betreiben, da dieser Batterieverwaltungsregler einfach nicht zum Betreiben der internen DC-DC-Regler verwendet wird. Dies dient dazu, die Wärmebelastung alter Laptops zu verringern und die Alterung der Batterie zu verringern, auch wenn diese zu 100% ohne Entladung bleiben. (Aber Sie werden auf einen Stromausfall heruntergefahren.)

Sie können auch ein größeres Ladegerät mit einer ausreichenden Spannung verwenden, um die Batteriespannung zu verringern. Solange eine ausreichende Spannung vorhanden ist, sollte dies die Leistung und den Wirkungsgrad nicht wesentlich beeinträchtigen.

Die 19 Volt dienen zum Laden des Akkupacks, der mehrere Li-Ionen-Zellen in Reihe hat. Die Laptop-interne Elektronik wird von einem Schaltregler aus der Batteriespannung und / oder den 19 Volt vom Netzteil gespeist. Dies führt zu einer angemessenen Laufzeit des Laptops, da die Batteriespannung während des Gebrauchs durch Entladung abnimmt. Dies ist der EINZIGE Grund für 19 Volt. Es hat NICHTS mit den tatsächlichen Laptop-Interna zu tun, mit Ausnahme des internen, schaltgeregelten Netzteils, das sich an die sich ändernde Batteriespannung anpasst und interne Systeme (CPU, RAM, Festplatte usw.) mit konstanten, geregelten Spannungen versorgt.

Die Betriebsdauer eines Laptops im Akkubetrieb hängt davon ab, wie viel Watt der Laptop verbraucht und wie viele Wattstunden die Akkus enthalten. Der durchschnittliche Verbrauch über die Zeit ist ziemlich konstant, obwohl die Helligkeit des Bildschirms, insbesondere der großen, einen bemerkenswerten Einfluss hat.

Wie andere bereits angesprochen haben, verfügen Laptops über Lithiumbatterien. Um eine längere Betriebsdauer zu erzielen, benötigen Sie mehr Energie (Wattstunden), sodass Sie Batterien mit mehr oder größerer Kapazität benötigen. Die Größe des Laptops begrenzt im Allgemeinen die Größe des Akkus, sodass durch die Verwendung von mehr Akkus mehr Leistung erzielt wird. Im Allgemeinen werden diese Akkus in Reihe geschaltet (weniger Schaltkreise erforderlich (= billiger), um ordnungsgemäß zu laden, wenn die Akkus in Reihe anstatt parallel geschaltet sind) dann ergibt sich die rohe Betriebsspannung des Laptops. Interne DC / DC-Wandler nehmen dann diese ungeregelte Rohspannung und erzeugen die geregelten Niederspannungen (3,3 VDC usw.), die die Elektronik benötigt.

Um diese Batterien aufzuladen, benötigt der interne Ladekreis eine Eingangsspannung, die ungefähr ein Volt höher ist als die vollständig geladene Spannung der Lithiumbatterien. Auch das in China hergestellte externe Netzteil hat eine Leistungstoleranz von normalerweise +/- 5%. Es ist zu beachten, dass die tatsächliche Ausgangsspannung an der Betriebslast gemessen werden muss. Sie ist ohne Last immer höher, da der IR-Abfall (Strom x Widerstand) im Gleichstromkabel und die Lastregelung des externen Netzteils im Allgemeinen etwas negativ sind.

Netzteile für kritische Anwendungen haben eine Funktion namens "Sense", die die Ausgangsspannung an der Last oder am Anschluss misst und den IR-Verlust automatisch ausgleicht, aber ich habe es noch nie bei einem externen Netzteil gesehen. (obwohl wir ein spezielles Modell für eine 5V / 80W-Anwendung für das Militär bauen, da die IR-Verluste beachtlich sind, wenn 18A nur einige Meter Kupferdraht durchfließen)

Wenn Sie all das berücksichtigen und die üblicherweise verwendeten 4 Lithiumbatterien in Serie für "größere" oder längere Laufzeiten auf Laptops mit Batterien verwenden, benötigen Sie eine externe Stromversorgung mit nominal 19 V Gleichstrom, die tatsächlich zwischen 17 und 20 V Gleichstrom liegen kann. Die internen DC / DC-Wandler zur Erzeugung der niedrigeren Gleichspannungen und die Batterieladeschaltung akzeptieren diesen Bereich problemlos plus wahrscheinlich einige weitere Volt mehr. Sie können die niedrigere Akzeptanzspannung testen, indem Sie ein variables Ausgangsnetzteil verwenden und die Spannung verringern, bis die "Ladeanzeige" erlischt. Sie müssen diese Spannung jedoch am Stecker messen. Testen Sie NICHT die hohe Akzeptanzspannung, da Sie die DC / DC-Wandler, die Ihren Laptop kaputt machen, leicht ausblasen können. Dies ist im Allgemeinen das einzige Anzeichen dafür, dass die Eingangsspannung zu hoch ist.

Übrigens wird die 19-V-Gleichspannung auch benötigt, um die Wattstunden für längere Laufzeiten zu erhöhen und den Strom in den größeren Laptops zu senken, da der allgegenwärtige Gehäuseanschluss nur für 5 A ausgelegt ist - und das ist wirklich gut. Die meisten sind 2-3A. Dies ist der Hauptgrund, warum Sie diesen Stecker nicht einstecken und herausziehen möchten, wenn Ihr PC eingeschaltet ist, da Sie die Kontakte verbrennen, um einen unzuverlässigen Kontakt in diesem Stecker herzustellen.

Weitere Informationen zu PC-Anschlüssen finden Sie unter: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

Übrigens haben PCs auch eine Batterie- "Gasanzeige", die angibt, wie viel Laufzeit Sie noch haben, wenn Sie mit Batterien arbeiten. Dieses "Messgerät" muss den Strom verfolgen, der in die Batterien fließt und aus ihnen austritt. (Die Strombilanz und nicht die Energie werden überwacht, da die Effizienz der Stromentladung / -ladung nahezu 100% beträgt, während die Energieeffizienz variiert und deutlich unter 100% liegt.) Während sie in Echtzeit ziemlich genau sind, häufen sich mit der Zeit Fehler an und die Kapazität der Lithiumbatterien nimmt mit dem Alter, den Betriebstemperaturen und den Ladezyklen ab. Dies führt häufig dazu, dass Ihr PC Ihnen mitteilt, dass Sie keine Laufzeit mehr haben, und dass er sich ausschaltet, wenn der Akku tatsächlich noch zu 50% geladen ist, sodass Sie einen neuen kaufen müssen (und teures) Akkupack. Wenn diese Ersatzbatterie eingesteckt ist, erkennt der PC diese neue Batterie und setzt ihre Batteriekapazitätseinstellungen zurück. Tief in (einigen / vielen / den meisten?) PCs gibt es eine Routine zur Kalibrierung der Batteriekapazität. Wenn Sie darauf zugreifen können, führt der PC ein paar Mal eine Routine zum Entladen und Wiederaufladen des Akkus durch, um die Akkukapazität neu zu kalibrieren, sodass Sie ein oder zwei Jahre auf dem Originalakku verbleiben, wenngleich die Betriebszeit abnimmt.

Wenn Sie die Volt prüfen, die für die LCD-Bildschirme auf Ihren Laptops benötigt werden, finden Sie vermutlich die Antwort. Ich habe in letzter Zeit viele Laptops auseinander gezogen und festgestellt, dass sie die hohe Spannung benötigen.

Die Spannung wird für eine 12-V-Schiene und eine 5-V-Schiene aufgeteilt. Nicht-Laptop-Minicomputer verwenden denselben 19-V-Eingang ohne Zellen oder Anzeige.

Die beiden Schienen sind Mainboard @ 12V (+/- 5V und 3,3V werden von diesem bereitgestellt) Peripheriegerät @ 5V für Laufwerke und manchmal USB. Diese werden in der Regel aufgrund von Spin-up aufgeteilt. Dies kann maximalen Strom verbrauchen und würde erfordern, dass das Mainboard dafür ausgelegt ist (schauen Sie in ein Wechselstromnetzteil und Sie werden die großen Kondensatoren und Induktivitäten sehen). Desktops teilen normalerweise USB +/- 5V aus dem gleichen Grund mit einer großen Anzahl von Ports und Daisy Chaining / Hubs. Sie liefern auch zusätzliche Schienen für die GPU.

All dies dient dazu, die Spannungen für das Mainboard (CPU, Speicher, E / A) konstant zu halten. Peripheriegeräte können variable Spannungen viel besser tolerieren (Elektromotoren und Festkörper-DC / DC-Wandler für SSDs und USB).

Festplatten sind nach wie vor Motoren und arbeiten mit 12 V Spannung.

Wenn das Archaische dem Festkörper nachgibt, verschwindet 19v. Wenn alle vorhandenen Festkörper auf der Hauptplatine effizienter sind, während sich die ICs von 12 V CMOS auf die niedrigen Niveaus von 1,8 bis 3,3 V von heute bewegen, wird der Bedarf an mehr als 5 V verschwinden. Die Batterie wird zu einer Zelle.

Der 19V ist aus den Tagen übrig geblieben, in denen "lug-Ables" - Computer vor den Laptops, -5,5 und 12 Volt für das Motherboard erzeugen mussten. Sie hatten ein eigenständiges Netzteil mit einem vieradrigen Stecker. Bald war es nur noch ein 2-Draht-Stecker, der Laptop erzeugte die 3 Spannungen intern. -5 bis 12 sind 17 Volt, mit den zusätzlichen 2 Volt nehme ich als Headroom für die Leistungsregelung an. Es ist davon übrig geblieben. [email protected]