Pourquoi beaucoup d'ordinateurs portables fonctionnent-ils sur 19 volts?

Généralement, les appareils mobiles alimentés par le secteur acceptent une tension multiple de celle d'une seule batterie. Par exemple, 4,5 volts correspondent à 1,5 volts (batterie principale AA) 3 fois et 36 volts à 3,6 volts (batterie Li-Ion) 10 fois.

Il existe maintenant des ordinateurs portables qui utilisent des sources d'alimentation externes de 19 volts exactement. Ce n'est pas un multiple de rien qui convient. M'énerve beaucoup.

D'où provient cette tension?

Le choix de 19 volts est dû au fait qu’il est confortablement au-dessous de 20 volts, ce qui correspond à la tension de sortie maximale des blocs d’alimentation pouvant être certifiés LPS (Limited Power Source) avec des limites de délivrance de courant non inhérentes.

Si vous pouvez garder une tension inférieure ou égale à 20 volts, la certification de sécurité devient plus simple et moins chère.

Pour vous assurer que vous êtes dans les limites, compte tenu des tolérances de fabrication, diminuez de 5%, ce qui correspond à 19 volts. Te voilà. Cela n'a rien à voir avec l'organisation de la batterie ou les écrans LCD.

Il existe maintenant des ordinateurs portables qui utilisent des sources d'alimentation externes de 19 volts exactement. Ce n'est pas un multiple de rien qui convient. M'énerve beaucoup.

Ce n’est pas une question de conception telle que posée, mais elle est pertinente pour la conception de systèmes de charge de batterie.

Sommaire:

• La tension est légèrement supérieure à un multiple de la tension entièrement chargée d'une batterie au lithium-ion, type utilisé dans presque tous les ordinateurs portables modernes.

• La plupart des ordinateurs portables utilisent des batteries Lithium Ion.

• La tension de 19 V fournit une tension appropriée pour charger jusqu'à 4 cellules Lithium Ion en série à l'aide d'un convertisseur abaisseur permettant de supprimer efficacement l'excès de tension.

• Diverses combinaisons de cellules en série et en parallèle peuvent être adaptées.

• Des tensions légèrement inférieures à 19 V peuvent être utilisées, mais 19 V est une tension standard utile qui répondra à la plupart des éventualités.

Presque tous les ordinateurs portables modernes utilisent des batteries Lithium Ion (LiIon). Chaque batterie est composée d'au moins un certain nombre de cellules LiIon dans une «chaîne» de série et peut consister en un certain nombre de combinaisons parallèles de plusieurs chaînes de série.

Une cellule Lithium Ion a une tension de charge maximale de 4,2 V (4,3 V pour les plus courageux et téméraires). Pour charger une cellule de 4,2 V, il faut au moins légèrement plus de tension pour fournir une certaine «marge» afin de permettre au système électronique de contrôle de charge de fonctionner. Au moins 0,1 V supplémentaire peut suffire, mais au moins 0,5 V serait utile et plus pourrait être utilisé.

Une cellule = 4,2 V
Deux cellules = 8,4 V
Trois cellules = 12,6 V
Quatre cellules = 16,8 V
Cinq cellules = 21 V.

Il est habituel qu'un chargeur utilise une alimentation à découpage (SMPS) pour convertir la tension disponible en tension requise. Un SMPS peut être un convertisseur Boost (augmentation de tension) ou un convertisseur Buck (atténuation de tension) ou permuter de l'un à l'autre selon les besoins. Dans de nombreux cas, un convertisseur Buck peut être rendu plus efficace qu'un convertisseur boost. Dans ce cas, en utilisant un convertisseur abaisseur, il serait possible de charger jusqu'à 4 cellules en série.

J'ai vu des batteries d'ordinateurs portables avec

3 cellules en série (3S),
4 cellules en série (4S),
6 cellules en 2 chaînes parallèles de 3 (2P3S),
8 cellules dans 2 chaînes parallèles de 4 (2P4S)

et avec une tension de source de 19 V, il serait possible de charger 1, 2, 3 ou 4 cellules LiIon en série et un nombre quelconque de chaînes parallèles de celles-ci.

Pour les cellules à 16,8 V, laissez une marge de sécurité de (19-16,8) = 2,4 volts pour l'électronique. La plupart de cela n'est pas nécessaire et la différence est compensée par le convertisseur abaisseur, qui agit comme une «boîte de vitesses électronique», absorbant l'énergie à une tension et la produisant à une tension inférieure et à un courant suffisamment élevé.

Avec une puissance de 0,7 V, il serait théoriquement possible d'utiliser une alimentation de 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V - mais l'utilisation de 19 V garantit qu'il y a suffisamment de place pour toute éventualité et que l'excès n'est pas gaspillé lorsque le convertisseur abaisseur est converti. la tension au besoin. Une chute de tension autre que dans la batterie peut se produire dans le commutateur SMPS (généralement un convertisseur MOSFET). ), les diodes SMPS (ou le redresseur synchrone), le câblage, les connecteurs, les éléments détecteurs de courant résistifs et les circuits de protection. Un minimum de gouttes est souhaitable pour minimiser le gaspillage d'énergie.

Lorsqu'une cellule Lithium Ion est presque complètement déchargée, sa tension aux bornes est d'environ 3 V. La basse tension à laquelle elles sont autorisées à se décharger est soumise à des considérations techniques liées à la longévité et à la capacité. À 3 V / cellule 1/2/3/4, les cellules ont une tension aux bornes de 3/6/9/12 volt. Le convertisseur abaisseur prend en charge cette tension réduite pour maintenir l'efficacité de la charge. Une bonne conception de convertisseur abaisseur peut atteindre une efficacité de 95% et, dans ce type d’application, ne devrait jamais être inférieure à 90% (bien que certains puissent l'être).

J'ai récemment remplacé une batterie de netbook à 4 cellules avec une version à capacité étendue à 6 cellules. La version à 4 cellules fonctionnait en configuration 4S et la version à 6 cellules en 2P3S. Malgré la tension plus basse de la nouvelle batterie, le circuit de charge a pris en charge le changement, reconnaissant la batterie et s’adaptant en conséquence. Effectuer ce type de modification dans un système NON conçu pour prendre en charge une batterie basse tension peut être préjudiciable à la santé de la batterie, de l'équipement et de l'utilisateur.

La réponse de Russell ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) fait un excellent travail en regardant les détails. Cette réponse est davantage axée sur les aspects plus larges de votre question.

Généralement, les appareils mobiles alimentés par le secteur acceptent une tension multiple de celle d'une seule batterie.

Je ne pense pas que ce soit généralement vrai.

Il est vrai que certains appareils ont des entrées d’alimentation dont la tension nominale est un multiple de la tension nominale de la cellule. Il s’agit généralement d’appareils pouvant fonctionner sur secteur ou sur batterie, mais qui ne chargent pas leur propre batterie à partir du secteur. Les appareils qui chargent leurs propres batteries sont une autre affaire.

En règle générale, vous souhaitez que la tension d'entrée de votre circuit de charge soit supérieure à la tension de votre batterie pendant tout le cycle de charge.

Une pile lithium-ion / polymère est nominalement à 3,7V environ, mais la tension nécessaire pour la charger complètement est plus proche de 4,2V et la tension une fois totalement déchargée peut être plus proche de 3V. Les batteries d'ordinateurs portables ont généralement 3-4 cellules en série. Donc, 19 V donne une marge raisonnable pour le circuit de charge.

Les téléphones mobiles, tablettes et appareils mobiles similaires dotés de batteries au lithium ionique à cellule unique ont tendance à utiliser une tension d'entrée de 5V. Je suis sûr que cela découle en partie du désir d'utiliser une clé USB, mais aussi parce que cela donne une marge de sécurité raisonnable pour charger une batterie lithium-ion / polymère à cellule unique.

C’est là une excellente question de conception technique «inverse».

Tous les ordinateurs mobiles peuvent utiliser une philosophie de chargeur de batterie cc / cc similaire, mais peuvent également utiliser des puces et des profils différents, gérés par l’ordinateur portable, et non par le chargeur externe. Une gamme plus large de tensions de chargeur avec une plus grande capacité peut être utilisée, car elle permet de réduire la plage d'entrées souvent plus larges que celles spécifiées. Des plages extrêmes peuvent réduire les rendements et augmenter la puissance maximale pendant une charge morte lorsque l'écran est en pleine luminosité. Le rétroéclairage constitue le tirage le plus important et le processeur / processeur graphique présente les pics les plus élevés pour une utilisation hautes performances. (i7 quad core, etc.)

Chargeurs de batterie universels.
J'ai acheté un chargeur universel lors d'un long voyage sur la route. J'ai ensuite choisi de l'utiliser pour piloter des LED de 60 watts. Le chargeur était spécifié entre 15 et 24 V, 63 W max. Il avait un connecteur à 6 broches juste avant les prises d’alimentation coaxiales interchangeables. Une des broches était une ligne de détection à distance pour la tension de fiche afin de compenser la perte de ligne CC. J'ai caractérisé l'entrée et constaté qu'elle pouvait être utilisée pour réguler la sortie de 5 ~ 50V avec une plage de contrôle d'entrée de 2,5V centrée autour de 3V. J'ai utilisé un Log Pot, quelques résistances, une LED et un capuchon pour contrôler ce gradateur personnalisé de 10 à 100% en utilisant toute la puissance disponible et ma femme était très contente du soleil LED sur la baie vitrée avec une mise en caisse à l'œuf noir antireflet. Il était environ 3 fois plus lumineux que la lumière directe du soleil au max.

Dans tous les cas, chaque ordinateur portable doit réguler l'alimentation externe afin que la tension exacte ne soit pas critique et que vous puissiez vous en sortir avec une plage plus large. Plus la tension d'entrée est basse, plus le courant est élevé et inversement, cela devrait fonctionner, mais l'efficacité peut varier dans la plage.

La plupart des mobiles ont tendance à fonctionner avec des tensions de cellule plus basses afin de réduire l'ESR du pack, ce qui affecte la chute de tension sous la charge et empêche les ondulations de régulation croisées de se propager vers d'autres régulateurs qui abaissent et intensifient l'intégration des processeurs / E / S internes et périphériques, par exemple 5 et 12V.

Les plus gros packs d'ordinateurs portables incluent:

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

Informations utiles: Vous pouvez utiliser un ordinateur portable sans batterie, car le régulateur de gestion de la batterie n'est tout simplement pas utilisé pour faire fonctionner les régulateurs internes CC-CC. Cela permet de réduire la charge thermique des vieux ordinateurs portables et de réduire le vieillissement thermique de la batterie même si ces derniers restent à 100% sans se vider. (Mais vous arrêterez sur un problème d'alimentation.)

Vous pouvez également utiliser un chargeur plus puissant avec une tension adéquate pour réduire la tension de la batterie. Cela ne devrait pas affecter l'efficacité en termes de rendement tant que la puissance est suffisante.

La tension de 19 volts sert à charger le bloc-batterie comportant plusieurs cellules Li-ion en série. Les composants électroniques internes de l'ordinateur portable sont alimentés par un régulateur de commutation à partir de la tension de la batterie et / ou des 19 volts de l'adaptateur secteur. Cela donne une durée de fonctionnement décente pour l'ordinateur portable lorsque la tension de la batterie diminue suite à la décharge lors de l'utilisation. Ceci est la seule raison pour 19 volts. Cela n'a rien à voir avec les composants internes des ordinateurs portables, à l'exception de l'alimentation régulée interne à commutation qui s'adapte à la tension de la batterie et fournit des tensions constantes et régulées aux systèmes internes (CPU, RAM, disque dur, etc.)

La durée de fonctionnement d'un ordinateur portable avec des piles dépend du nombre de watts consommés par l'ordinateur portable par rapport au nombre de watts / heure qu'ils contiennent. La consommation moyenne dans le temps est assez fixe, bien que la luminosité de l'écran, en particulier celle des grands écrans, ait un impact notable.

Comme d'autres l'ont déjà mentionné, les ordinateurs portables sont dotés de batteries au lithium. Pour obtenir plus de temps de fonctionnement, vous avez besoin de plus d'énergie (Watt-heures). Vous avez donc besoin de batteries de capacité supérieure ou supérieure. La taille de l'ordinateur portable limite généralement la taille de la batterie, ce qui permet d'obtenir plus de puissance en utilisant davantage de batteries. Généralement, ces batteries sont mises en série (moins de circuits nécessaires (= meilleur marché) pour charger correctement lorsque les batteries sont en série plutôt qu'en parallèle), qui entraîne alors la tension de fonctionnement brute de l'ordinateur portable. Les convertisseurs CC / CC internes prennent ensuite cette tension brute non régulée et produisent les basses tensions régulées (3,3 VCC, etc.) nécessaires à l'électronique.

Pour charger ces batteries, le circuit de charge interne a besoin d'une tension d'entrée supérieure d'environ un volt à la tension complètement chargée des batteries au lithium. En outre, l’alimentation externe de fabrication chinoise a une tolérance de sortie de +/- 5%. Il est à noter que la tension de sortie réelle doit être mesurée à la charge de fonctionnement. Il sera toujours plus élevé sans charge en raison de la chute (perte) IR (courant x résistance) dans le câble CC et de la régulation de la charge de l'alimentation externe qui est généralement un peu négative.

Les alimentations des applications critiques ont une fonction appelée "Sense" qui mesure la tension de sortie de la charge ou du connecteur et compense automatiquement la perte IR mais je ne l'ai jamais vue dans une alimentation externe. (Bien que nous en construisions un personnalisé pour une application 5V / 80W pour les militaires parce que les pertes en IR sont importantes avec 18A traversant quelques pieds de fil de cuivre)

En tenant compte de tout cela, et avec les 4 piles au lithium couramment utilisées en série pour les ordinateurs portables «plus gros» ou plus longs, vous aurez besoin d'une alimentation externe nominale de 19 VDC qui pourrait en réalité varier entre 17 et 20 VDC. Les convertisseurs CC / CC internes permettant de générer les tensions CC les plus basses et les circuits de charge de la batterie acceptent facilement cette plage et probablement encore quelques volts supplémentaires. Vous pouvez tester la tension de réception inférieure en utilisant une alimentation à sortie variable et en baissant la tension jusqu'à ce que le «voyant de charge» s'éteigne. Cependant, vous devrez mesurer cette tension au connecteur. Ne testez PAS la tension d’acceptation élevée, vous pourriez facilement détruire les convertisseurs CC / CC, ce qui rendrait votre ordinateur portable kaput. C’est généralement votre seule indication que la tension d’entrée est trop élevée.

BTW, le 19VDC est également nécessaire pour obtenir des watts-heure plus longs et une baisse du courant dans les grands ordinateurs portables, car le connecteur omniprésent du barillet n’est conçu que pour supporter 5A - et c’est pour un très bon. La plupart sont 2-3A. C’est la raison principale pour laquelle vous ne souhaitez pas brancher ou débrancher ce connecteur lorsque votre PC est allumé, car vous allez graver les contacts et créer ainsi un contact non fiable dans ce connecteur.

Pour en savoir plus sur les connecteurs PC, voir: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

BTW2, les ordinateurs ont également une "jauge à gaz" qui vous indique combien de temps il vous reste pour fonctionner avec des piles. Cette "jauge" doit suivre le courant entrant et sortant des batteries. (L'équilibre actuel plutôt que l'énergie est surveillé, car l'efficacité de décharge / charge actuelle est proche de 100% alors que l'efficacité énergétique varie et est nettement inférieure à 100%). Bien qu'elles soient assez précises en temps réel, elles comportent des erreurs qui s'accumulent avec le temps et la capacité des batteries au lithium diminue avec l'âge, les températures de fonctionnement et les cycles de charge. Cela a souvent pour conséquence que votre PC vous "dit" qu'il ne vous reste plus de temps d'utilisation et qu'il va s'éteindre alors qu'en fait, la batterie peut encore avoir une capacité de 50%, ce qui vous oblige à acheter un nouveau (et cher) batterie. Lorsque cette batterie de remplacement est connectée, le PC reconnaît cette nouvelle batterie et réinitialise ses paramètres de capacité. Au fond des PC (certains / plusieurs / la plupart?), Il existe une routine d'étalonnage de la capacité de la batterie. Si vous pouvez y accéder, le PC effectuera une routine de décharge et de recharge de la batterie plusieurs fois pour recalibrer la capacité de la batterie, ce qui vous laissera un an ou deux de plus sur le bloc batterie d'origine, bien que la durée de fonctionnement diminue.

Si vous vérifiez les volts nécessaires pour les écrans LCD de vos ordinateurs portables, je pense que vous trouverez la réponse. Ces derniers temps, j’ai retiré beaucoup d’écrans pour ordinateurs portables et j’ai constaté qu’ils nécessitaient des tensions élevées.

La tension est divisée pour un rail 12v et un rail 5v. Les mini-ordinateurs autres que les ordinateurs portables utilisent la même entrée 19v sans cellules ni écran.

Les deux rails sont une carte mère @ 12V (il fournit +/- 5V et 3,3V) un périphérique @ 5V pour les lecteurs et parfois l’USB. Ceux-ci sont divisés à cause de la rotation. Cela peut consommer un courant maximum et nécessiterait que la carte mère soit conçue pour cela (regardez à l'intérieur d'une alimentation en courant alternatif et vous verrez les gros condensateurs et les inductances). Les ordinateurs de bureau divisent généralement USB +/- 5V pour la même raison, avec un grand nombre de ports et un chaînage / concentrateur Daisy. Ils fournissent également des rails supplémentaires pour le GPU.

Tout cela est d'essayer de maintenir les tensions constantes pour la carte mère (CPU, mémoire, E / S). Les périphériques supportent beaucoup mieux les tensions variables (moteurs électriques et convertisseurs CC-CC à semi-conducteurs pour SSD et USB).

Les disques durs sont toujours des moteurs et fonctionnent au niveau 12v.

Lorsque l'archaïque cède la place à l'état solide, le 19v disparaîtra. Lorsque tous les états solides existants sur la carte mère sont plus efficaces, tout comme les circuits intégrés sont passés de CMOS 12v à des niveaux bas allant de 1,8 à 3,3v, le besoin de plus de 5v disparaîtra. La batterie deviendra une cellule.

Le 19V est resté des jours où "lug-ables" - ordinateurs avant les ordinateurs portables, devaient créer -5,5, et 12 volts pour la carte mère. Ils avaient une alimentation autonome avec une prise à quatre fils. Bientôt, ce n’était plus qu’une prise à 2 fils, l’ordinateur portable créant les 3 tensions internes. -5 à 12 est de 17 volts, avec les 2 volts supplémentaires, je suppose comme marge de sécurité pour la régulation de la puissance. Il en reste de cela. jmarc@gmx.com