¿Por qué las bombas de carga solo se usan para aplicaciones de baja corriente?

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Por lo general, los elementos más caros (y difíciles de obtener) en un SMPS son los inductores. Por lo tanto, me preguntaba si es posible usar fuentes de alimentación de modo de conmutación sin inductor (es decir, bombas de carga) para casos de uso genéricos, por ejemplo, una fuente de alimentación de mesa, convertidores CC-CC de alta potencia fijos (varios amperios y unos cien vatios de potencia ), etc.

Todos los diseños de bombas de carga que pude encontrar fueron para aplicaciones de baja potencia. ¿Qué le impide a uno diseñar una fuente de alimentación sin inductor de alta potencia? ¿Hay algunas limitaciones físicas inherentes?

Ali Alavi
fuente
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Sospecho que los inductores pueden almacenar más energía por unidad de volumen / costo que los condensadores: intente el cálculo de la parte posterior de una envoltura para saber qué tamaño de condensadores necesitaría para una bomba de carga hipotética.
pjc50
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¿Ha incluido alguna ESR (resistencia en serie) realista para esos condensadores? Los simuladores son como el papel: puedes hacer que todo funcione / no funcione en ellos ;-)
Bimpelrekkie
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Una fuente de alimentación conmutada correctamente construida necesita una PCB y es la PCB que probablemente sea el elemento más costoso y difícil de conseguir porque tiene que diseñarlo.
Andy alias
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@Andyaka El PCB no es el artículo más caro ni el más difícil de conseguir.
Ali Alavi
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Un condensador de 10uF que suministra 10A caerá un voltio por microsegundo. A una frecuencia de conmutación de 50Khz, estaría observando una ondulación del 100%.
supercat

Respuestas:

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Hay dos problemas con tu idea. Una práctica y otra fundamental.

El problema práctico es que por cantidad de condensadores de energía almacenada son más caros que los inductores, y además los capacitores de alta capacidad (electrolíticos) realmente envejecen.

El problema fundamental es que cargar un condensador desde una fuente de voltaje es fundamentalmente con pérdidas (se disipa el calor). Esto puede parecer contrario a la intuición, pero no obstante es cierto. (Hubo una pregunta sobre esto hace algún tiempo). Por lo tanto, un convertidor de voltaje de condensador volador, incluso uno ideal, es inherentemente ineficiente. (Un convertidor de voltaje ideal basado en inductor es 100% eficiente).

Puede parecer extraño que el mundo sea injusto para los condensadores, pero esa es nuestra culpa humana: suministramos energía principalmente de fuentes de voltaje. Para las fuentes de corriente, lo inverso es cierto: un convertidor de corriente ideal de condensadores voladores puede ser 100% eficiente, mientras que uno de inductores debe ser necesariamente con pérdidas.

Wouter van Ooijen
fuente
Gracias. No puedo entender el hecho de que los condensadores son más caros que los inductores (en una configuración SMPS). Mi experiencia es que, al menos para cantidades bajas, necesito hacer algunos cálculos, comprar núcleos y cables específicos y enrollar el cable alrededor del núcleo yo mismo. Es muy lento. Mientras que con un condensador, solo compro uno listo. Por otro lado, soy un novato absoluto en el dominio SMPS, por lo que probablemente haya mejores formas de evitarlo.
Ali Alavi
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¡Seguramente puede comprar inductores confeccionados! Pero preste atención a mi segundo punto: un convertidor de voltaje basado en condensador es inherentemente con pérdidas. No hay forma de evitar eso.
Wouter van Ooijen
Parece que dije esencialmente lo mismo ... luego. ¡Uy!
Spehro Pefhany
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Huh, agradable (+1 en todas partes). ¿Es esta la pregunta anterior? electronics.stackexchange.com/questions/54992/… . Sabía sobre tapas y fuentes de voltaje ... ¡pero nunca pensé en eso!
George Herold
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@Agent_L Oh, quise decir una referencia para obtener más detalles sobre cómo personalizar inductores a mano, no una referencia para respaldar su reclamo :)
Ali Alavi
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Los condensadores serían mejores si la fuente y la salida fueran de corriente constante. Puede cargar el condensador hasta que el voltaje se elevó a un cierto nivel, luego descargar el condensador en la impedancia de carga para mantener una corriente de salida constante. Usaría un inductor grande como filtro de salida para mantener constante la corriente de salida.

Dado que nuestras fuentes son de voltaje constante y generalmente queremos un voltaje de salida constante, el uso de inductores para almacenar energía y condensadores para filtrarlo tiene más sentido.

Tenga en cuenta que todos los equipos de conmutación eficientes tienen ambos condensadores e inductores.

Sí, las bombas de carga (condensador volador) pueden tomar un voltaje y moverlo, voltearlo, incluso multiplicarlo por enteros y similares, pero cada vez que carga o descarga un condensador a través de un interruptor resistivo pierde una parte del cambio de energía del condensador en el propio interruptor: un cambio de voltaje mayor significa más pérdidas. Un interruptor de menor resistencia solo significa que la energía perdida por un cambio de voltaje dado se comprime en un lapso de tiempo más pequeño, el total permanece constante.

Spehro Pefhany
fuente
"Cada vez que carga o descarga un condensador a través de un interruptor resistivo, pierde la mitad del cambio de energía del condensador en el mismo interruptor". eso es cierto si carga y descarga completamente el condensador cada vez. Si solo lo descarga parcialmente, puede hacerlo mejor.
Peter Green
@PeterGreen "cambio en energía" no energía total.
Spehro Pefhany
Digamos que un condensador de 1 faradio comienza a 5V y se carga a 6V a través de una resistencia de una fuente de 6V. Energía en condensador antes = 0.5 * 1 * 5 * 5 = 12.5. Energía en condensador después = 0.5 * 1 * 6 * 6 = 18. Energía añadida al condensador = 18-12.5 = 5.5. Energía extraída del suministro = (6-5) * 1 * 6 = 6. Solo se pierden 0.5 julios de energía para agregar 5.5 julios de energía al capacitor.
Peter Green
Cuando se carga un condensador de cero a completo a través de una resistencia, se pierde la mitad de la energía, pero la proporción de energía agregada frente a la energía perdida no es constante. La etapa inicial de la carga es muy con pérdidas, la etapa tardía es muy eficiente.
Peter Green
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"Podrías cargar el condensador hasta que el voltaje subiera a un cierto nivel, luego descargar el condensador a la impedancia de carga para mantener una corriente de salida constante". - Resulta que esto es solo un convertidor reductor con un condensador adicional en la entrada .
user253751
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Si dos condensadores o series de capacitores con diferentes voltajes están conectados entre sí, sus cargas se promediarán de una manera que reducirá la cantidad de energía almacenada en ellas. Si se conectan mediante un inductor, el exceso de energía se transferirá a ese inductor y, posteriormente, se podrá utilizar para algún propósito útil. Si la conexión es puramente resistiva, la energía se convertirá al 100% en calor. Minimizar la resistencia no reducirá la pérdida de energía; simplemente reducirá la cantidad de tiempo requerido para que ocurra.

En consecuencia, para que una bomba de carga sea eficiente, los condensadores deben ser lo suficientemente grandes como para que el voltaje a través de ellos nunca varíe demasiado. En los casos en que una bomba de carga no necesita transportar mucha energía, se puede usar un regulador lineal en la salida y aumentar el voltaje lo suficiente como para que en las peores condiciones de ondulación el voltaje de salida aún sea lo suficientemente alto como para mantener la regulación, pero la eficiencia estará limitado por la relación de la tensión de carga multiplicada por la relación de refuerzo con la tensión de la fuente.

Super gato
fuente
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Hay algunos problemas con las bombas de carga.

  1. No pueden ofrecer eficiencia y regulación de voltaje al mismo tiempo. La única forma de regular el voltaje de salida para que permanezca constante durante las variaciones de voltaje de entrada y las variaciones de carga es introducir una ineficiencia deliberada.
  2. La corriente debe pasar a través de dos elementos de conmutación (diodos o transistores) durante las partes de carga y descarga del ciclo (mientras que con un convertidor reductor o de refuerzo solo necesita pasar a través de un elemento de conmutación a la vez).
  3. La eficiencia depende en gran medida de la relación de voltaje de entrada a salida deseada. Si quiere hacer un convertidor de voltaje de 1.5x, entonces tendría que usar un arreglo complejo de múltiples etapas o hacer un convertidor de 2x y ejecutarlo en un modo deliberadamente ineficiente.
Peter Green
fuente
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En cuanto al punto 3, cualquier relación de enteros es posible de manera eficiente sin mucha complejidad adicional. Para 1.5x, cargue las tapas en las conexiones de la serie 2 (para que cada una vea 0.5x el voltaje de suministro) y descargue en la serie 3.
Nate S.