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

Me preguntaba por qué un adaptador de corriente para computadora portátil es tan grande. La mayoría de las computadoras portátiles que he visto usan una fuente de alimentación de ~ 19V. Usando la ecuación del transformador, y considerando 100 vueltas en el primario (solo una suposición) y una fuente de alimentación de 220V, calculé que debería haber aproximadamente 8 vueltas en el secundario. Usando la misma ecuación para un cargador de teléfono móvil (5V) y considerando 100 vueltas en el primario, debería haber aproximadamente 3 vueltas en el secundario. Por lo tanto, 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 de computadora portátil son tan grandes mientras que el adaptador de cargador de teléfono celular es pequeño?

Las computadoras portátiles y los teléfonos celulares usan fuentes de alimentación conmutadas, por lo que los adaptadores no son simples transformadores.

Para una tecnología dada, existe una relación entre la capacidad de potencia (medida en vatios) y el tamaño (volumen, específicamente). Por lo tanto, un teléfono celular que necesita 2.1A a 5V (aproximadamente 10W) ​​puede usar un adaptador de CA que es mucho más pequeño y liviano que el de una computadora portátil que requiere 19V a 4.62A (aproximadamente 90W).

En realidad, ni las computadoras portátiles ni los teléfonos celulares usan un transformador, per se.

Lo que usan, en cambio, se llama una "Fuente de alimentación de modo conmutado" que rectifica la entrada de CA de 110 o 220 V en un condensador de CC, luego usa un microcontrolador de conmutación de varios KHz para impulsar eso a través de un inductor para "convertir" el voltaje hacia abajo . Esto requiere mucho menos espacio que un transformador de 50Hz en un núcleo grande y pesado, y generalmente es más eficiente.

En cuanto a por qué el convertidor de computadora portátil es generalmente mucho más grande que los cargadores usb para teléfonos celulares / tabletas / etc. Esa es una cuestión de manejo de potencia. Debido a la mayor demanda de voltaje y corriente de la computadora portátil, su fuente de alimentación necesita cables más gruesos, un inductor más grande y componentes de conmutación de mayor potencia. Además, con más potencia atravesando, hay más calor para eliminar.

Debido a la necesidad de componentes más grandes y pesados, y más disipación de calor, el cargador de batería simplemente debe ser más grande, siempre y cuando no esté dispuesto a pagar muchas veces más dinero por materiales raros y caros.

Todos los adaptadores de CA o suministros de CC modernos son circuitos / sistemas de modo conmutado. Por seguridad, la línea de CA puede estar aislada con un transformador. Es un transformador de alta frecuencia, por lo tanto, mucho más pequeño en tamaño físico.

CA es 50 / 60Hz (ciclos por segundo). Los reguladores de conmutación son de 50 kHz a mega-Hz. Como tal, el transformador de aislamiento es mucho más pequeño. Esta es la razón del cambio de transformador masivo a un transformador mucho más pequeño de alto kilo-Hz.

El ahorro de material (bobinado de cobre, núcleo de hierro) y la eficiencia mediante conmutación electrónica, lo que tiene un costo mucho más bajo, una eficiencia energética mucho mayor y un tamaño más pequeño.

Igual que el diseño anterior del transformador aquí: el lado de 'salida' (2ndary) del transformador se rectifica a voltaje de CC sin procesar. Para el tamaño más pequeño, la relación de la bobina del transformador puede ser 1: 1 (salida a 110 VCA, EE. UU.). ¡Alto voltaje! O cualquier relación para el mejor diseño general. La diferencia: la CC sin procesar es la fuente de alimentación de CC solo para un circuito de conmutación, no para la salida. La salida del circuito conmutado es el suministro de CC final.

Circuito conmutado simplificado: cuando el interruptor está encendido, la CC sin procesar carga la bobina. Cuando está apagado, la CC sin procesar se desconecta de la bobina. Ahora, por naturaleza de la bobina, la bobina expulsa la energía de sí misma (¡intenta aliviarla!). Los interruptores en sus terminales 'están' conectados y conectados a un condensador. La bobina descarga su energía al condensador. Este condensador es el condensador de suavizado de CC de salida, que se duplica como un almacenamiento de energía secundario.

La carga en la salida, mientras tanto, continúa agotando la energía del condensador. La bobina recarga el condensador de vez en cuando. La CC en bruto repone la energía de la bobina, de vez en cuando.

En el caso no aislado, no hay transformador, y la CA 110V (EE. UU.) Se rectifica directamente (¡alto voltaje peligroso!) Para formar la CC sin procesar (aproximadamente 120-150 VCC).

El resto de la electrónica regula el voltaje de salida. Cuando el condensador alcanza el voltaje deseado, la bobina se apaga del condensador, evitando que se cargue a un voltaje cada vez más alto. Al mismo tiempo, la bobina se vuelve a conectar a CC sin procesar para recargar. Cuando la salida se agota demasiado bajo, la bobina se vuelve a conectar al condensador para recargarla.

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

En resumen: rectificar; alto voltaje de CC; cargar la bobina; volcar la energía de la bobina al condensador de salida; repetir.

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

Si no se necesita aislamiento (por ejemplo, dentro de un paquete cerrado, como una bombilla), quizás no haya transformador. El aislamiento es por seguridad, por lo que se agrega un transformador. Cuanto menor es la frecuencia, menos eficiente en la conversión electromagnética. 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 una forma de transferir energía de entrada a salida.

Extra para la mente inquisitiva: ¡Sáltate la bobina! ¡Todo lo que necesita es un interruptor para cargar el condensador de salida (modo de condensador conmutado), directamente desde la CC sin procesar! Al alcanzar el voltaje de salida deseado, apague. ¡Hecho! ¡Ahorre un componente de bobina! Diría: ¿No puede el Voltaje impulsar un límite? OK, agregue una resistencia limitadora de corriente. La resistencia sigue siendo mucho más barata que una bobina. ¿Por qué necesita una bobina? Más ... ¿Por qué no rectificar sin formato el AC 110V, luego el suministro de CC sin procesar para un generador de alta frecuencia para accionar un transformador de alta frecuencia? ¡En lugar de 60Hz, ahora tiene un sistema de CA de 50kHz! El mismo transformador pequeño. Luego, el transformador reduce el voltaje de CA. ¡Rectifica, Voila! [Sugerencia: eficiencia y potencia de salida].

[Eficiencia: Energía en condensador = (1/2) xCV ^ 2; bobina equivalente: (1/2) Li ^ 2. A medida que el voltaje aumenta en la tapa [o equivalente para la bobina], es más eficiente: V es cuadrado. Cuadrado 5V = 25. Cuadrado 100V = 10,000! Volcar 5V al condensador / bobina es solo eso. Volcado de 105V (110V-5Vout) en una bobina, ¡guau!]