Obliczanie mocy ładowarki USB, USB-C, GaN, Power Delivery, AC/DC – wzory i przykłady

Pytanie

Obliczanie mocy ładowarki

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najprościej: dla wyjścia prądu stałego (USB, DC) moc obliczasz jako P = U × I. Przykład: 5 V × 2 A = 10 W.
• Dla zasilania prądem przemiennym (AC) po stronie wejścia:
  • jednofazowo: P ≈ U × I × cosφ,
  • trójfazowo: P ≈ √3 × ULL × I × cosφ,
    gdzie cosφ to współczynnik mocy (zwykle 0,95–1,0 dla nowoczesnych ładowarek).
• Rzeczywista moc pobierana z gniazdka jest wyższa od mocy oddawanej na wyjściu: Pin = Pout / η, gdzie η to sprawność.

Kluczowe punkty:

• Odczytaj profil/tryby „OUTPUT” z etykiety i policz P dla każdego, mocą maksymalną ładowarki jest największy iloczyn U × I.
• W ładowarkach wieloportowych liczy się łączny budżet mocy – sumaryczna moc z portów nie może przekroczyć wartości całkowitej.
• Kable ograniczają moc: np. USB‑C powyżej 100 W wymaga przewodu 5 A z układem e‑marker.

Szczegółowa analiza problemu

• DC (wyjście ładowarki, np. USB/USB‑C):
  • Wzór: Pout = U × I.
  • Profile ładowania są dyskretne (np. 5 V/3 A, 9 V/2,22 A, 12 V/1,67 A) albo płynne (PPS – programowalne z krokiem napięcia/prądu). Maksymalna moc to najwyższa z wartości U × I dostępnych dla Twojego urządzenia i kabla.
  • Przykłady:
    • 5 V × 3 A = 15 W,
    • 9 V × 3 A = 27 W,
    • 20 V × 3,25 A = 65 W.
  • USB Power Delivery 3.1 (EPR) wprowadza 28/36/48 V do 5 A:
    • 28 V × 5 A = 140 W,
    • 36 V × 5 A = 180 W,
    • 48 V × 5 A = 240 W (wymaga przewodu 5 A z e‑markerem).
• AC (wejście ładowarki – to, co „bierze” z gniazda):
  • Jednofazowo: Pin ≈ U × I × cosφ (np. 230 V × 0,5 A × 0,95 ≈ 109 W).
  • Trójfazowo: Pin ≈ √3 × ULL × I × cosφ (np. 400 V × 16 A × 0,95 × √3 ≈ 10,5 kW).
  • Uwaga: W niektórych materiałach upraszcza się wzór pomijając cosφ lub błędnie dodaje „liczbę faz” jako mnożnik. Poprawny wzór trójfazowy zawiera √3, a nie mnożnik „3” ani „liczbę faz”.
• Sprawność i straty:
  • Nowoczesne przetwornice (szczególnie GaN) osiągają η ≈ 88–94% przy pełnym obciążeniu; przy małych obciążeniach sprawność spada.
  • Prawidłowe przeliczenie: Pin = Pout/η. Przykład: 65 W na wyjściu, η = 0,9 → Pin ≈ 72 W.
• Współczynnik mocy (cosφ) i PFC:
  • Małe ładowarki (np. 20–65 W) często mają niski PF przy małym obciążeniu; powyżej ~75 W typowo stosuje się aktywne PFC (PF ~0,95–0,99).
  • To wpływa na prąd z gniazdka i odczyty prostych watomierzy.
• Wieloportowe ładowarki:
  • Mają łączny budżet (np. „Max 140 W”) i macierze priorytetów. Przykład: 2×USB‑C + 1×USB‑A, łącznie 140 W:
    • Solo C1: do 140 W (zależnie od PD profilu),
    • C1+C2: np. 100 W + 40 W,
    • C1+C2+A: np. 65 W + 45 W + 12 W (nie przekroczy 140 W).
  • Faktyczny podział zależy od producenta; zawsze sprawdź tablicę rozdziału mocy w dokumentacji.
• Ograniczenia po stronie urządzenia i kabla:
  • Urządzenie negocjuje profil – pobierze tylko tyle, ile wspiera. Mocniejsza ładowarka nie „wpycha” większej mocy sama z siebie.
  • Kable USB‑C: dla >3 A (powyżej ~60–100 W) wymagany przewód 5 A z e‑markerem; słabszy kabel ograniczy prąd (typowo do 3 A).
• Specyfika ładowania bezprzewodowego:
  • Pout jest znacznie mniejsze niż Pin (η bywa 60–75%); typowe moce: 5–15 W (Qi/Qi2), dlatego pobór z gniazdka bywa znacznie wyższy niż moc dostarczona do telefonu.

Aktualne informacje i trendy

• USB‑PD 3.1 (EPR) umożliwia do 240 W na USB‑C, wymuszając stosowanie przewodów 5 A z e‑markerem.
• Powszechne są ładowarki GaN o wysokiej gęstości mocy (mały rozmiar, η >90%).
• W elektromobilności:
  • AC: typowe moce domowe (USA) 240 V × 32–48 A → ~7,7–11,5 kW; w Europie 3×16 A ≈ 11 kW, 3×32 A ≈ 22 kW.
  • DC: stacje HPC setki kW; po stronie DC nadal obowiązuje P = U × I (np. 800 V × 350 A ≈ 280 kW), a realną moc limituje okno napięć i temperatura akumulatora.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego teoretyczna a rzeczywista moc się różnią:
  • Kontroler baterii ogranicza prąd przy wysokim SOC i wysokiej temperaturze.
  • Spadki napięcia na kablu i złączach (rezystancja przewodów).
  • Ochrony (OCP/OVP/OTP) mogą chwilowo obniżać moc.
• Pomiar:
  • DC: woltomierz + amperomierz (lub miernik USB) i licz P = U × I.
  • AC: watomierz/analizator sieci z True‑RMS i pomiarem mocy czynnej; proste „mierniki gniazdkowe” bywają niedokładne dla nieliniowych obciążeń.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo: stosuj certyfikowane ładowarki i przewody (np. UL/ETL w USA, CE/UKCA w UE). Unikaj podróbek – ryzyko porażenia/pożaru.
• Zgodność: w wielu jurysdykcjach obowiązują limity mocy w spoczynku (np. DOE Level VI/CEC) oraz normy EMC i PFC (np. IEC 61000‑3‑2).

Praktyczne wskazówki

• Jak policzyć moc Twojej ładowarki w 30 sekund:
  1. Odczytaj wszystkie tryby „OUTPUT” z etykiety,
  2. Policz U × I dla każdego,
  3. Najwyższy wynik to maks. moc wyjściowa.
• Dla ładowarek wieloportowych: sprawdź „Total Max” i tabelę podziału mocy – obciąż porty zgodnie z priorytetem producenta.
• Upewnij się, że kabel zgadza się z mocą (USB‑C >100 W → kabel 5 A z e‑markerem).
• Jeśli ładowanie „nie dochodzi” do deklarowanej mocy, przetestuj:
  • inny kabel,
  • inny port,
  • ładowanie w zakresie 20–60% SOC i w chłodnym otoczeniu.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Deklarowana moc to zwykle wartość szczytowa; ciągła moc przy wysokiej temperaturze otoczenia może być niższa (derating termiczny).
• W EV ładowanie bywa limitowane przez auto (on‑board charger), nie przez ładowarkę ścienną/EVSE.
• Różne szybkie standardy (PD, QC, PPS, własne ekosystemy) nie zawsze są w pełni kompatybilne – urządzenia mogą spaść do 5 V i niższej mocy.

Sugestie dalszych badań

• Specyfikacja USB‑IF: USB Power Delivery 3.1 (EPR) i wymagania dla przewodów e‑marked 5 A.
• Normy EV: IEC 61851 (ładowanie pojazdów), SAE J1772 (USA), pomiar energii i bezpieczeństwo.
• Normy efektywności i PFC: DOE Level VI/CEC, IEC 61000‑3‑2.

Krótkie podsumowanie

• Dla wyjścia ładowarki (DC) używaj P = U × I, wybierz najwyższy dostępny profil.
• Dla wejścia (AC) jednofazowo: P ≈ U × I × cosφ; trójfazowo: P ≈ √3 × ULL × I × cosφ.
• Różnica między Pin a Pout to głównie sprawność i PF; na realną moc wpływają negocjacje protokołu, kabel i temperatura.

Jeśli podasz konkretne parametry z etykiety (OUTPUT, liczba portów, ewentualnie „Total Max”) oraz typ kabla, policzę i zweryfikuję realnie osiągalną moc dla Twojej konfiguracji.