¿Por qué los reguladores de conmutación reductores (reductores) requieren un inductor y un diodo?

Entonces, entiendo, al menos en un nivel básico, el método de operación de conmutación de convertidores, tanto de inversión como de impulso. Sin embargo, lo que me desconcierta es por qué los convertidores de dinero en particular no son más simples.

¿Por qué no construir un convertidor reductor como un interruptor que carga un condensador, con el interruptor controlado por un comparador que compara el voltaje de salida con una referencia? ¿No sería eso mucho más simple, permitirle usar un condensador más fácil y barato en lugar del inductor, y omitir el diodo por completo?

Los convertidores de dinero son tan simples como los convertidores de impulso. De hecho, son exactamente el mismo circuito, solo visto hacia atrás, si tenemos la libertad de elegir qué interruptor (de los dos) funcionará como interruptor controlado (o ambos, si es un convertidor síncrono).

Con respecto a su segundo párrafo, si hiciera eso, incurriría en pérdidas. Más que con un regulador conmutado basado en inductor, y mucho más que con un regulador lineal. Cada vez que conecta una fuente de voltaje a un condensador cuyo voltaje inicial no es el mismo que el de la fuente de voltaje, inevitablemente desperdicia energía. Incluso si no ve una resistencia explícita, en la vida real está ahí, y (curiosamente) no importa cuán pequeña sea, desperdiciará la misma cantidad de energía. Ver aquí .

Las bombas de carga funcionan como usted dice, pero son menos eficientes que los reguladores conmutados basados ​​en inductores.

Entonces, esa es la justificación para la complejidad aparentemente innecesaria de los reguladores conmutados basados ​​en inductores.

Más : para intentar darle la intuición de por qué existen los convertidores buck y boost, vea esta figura.

Si intenta mover energía entre dos fuentes de voltaje que no son iguales, o entre dos fuentes de corriente que no son iguales, tendrá pérdidas inevitables. Por otro lado, puede mover energía (e incluso hacer un poco de escala de voltaje o corriente en el camino) sin ninguna pérdida, si conecta una fuente de voltaje a una fuente de corriente. El elemento físico pasivo que más se parece a una fuente de corriente es un inductor. Es por eso que existen reguladores conmutados basados ​​en inductor.

Las bombas de carga estarían en la columna izquierda. Su eficiencia máxima teórica es inferior al 100% (la eficiencia real depende de la diferencia de voltajes y las capacidades). Los reguladores conmutados basados ​​en inductores se encuentran en la columna derecha. Su máxima eficiencia teórica es del 100% (!).

El problema con lo que estás describiendo es actual. En un convertidor reductor, puede obtener un promedio de 10 A con solo 5 A, porque los otros 5 A alcanzan la salida a través del diodo. Y el diodo solo está polarizado hacia adelante debido a la patada inductiva. Sin el inductor y el diodo, solo hay una ruta para que la corriente fluya a la salida, y eso es directamente desde la entrada. Con esa topología, si su corriente de salida promedio es 10A, su corriente de entrada promedio también debe ser 10A. Y si está perdiendo voltaje de entrada a salida, mientras la corriente sigue siendo la misma, la energía perdida se disipa en forma de calor. Esto anula el propósito de usar un regulador de conmutación en lugar de un regulador lineal en primer lugar.

Además, si toma dos tapas a diferentes voltajes y simplemente cierra un interruptor entre ellas, la corriente instantánea será muy, muy grande. Modele cada tapa como una fuente de Thevenin, un suministro de voltaje perfecto con una resistencia en serie. La resistencia de la ruta entre las dos fuentes perfectas será la resistencia en estado del dispositivo de conmutación, más la ESR de ambas tapas. La ESR de las tapas probablemente será del orden de 1 mOhm, si no mucho menos. La resistencia en el estado de un transistor puede variar, pero probablemente no supere los 100 mOhm. Entonces, si tiene una diferencia de 10 V entre la entrada y la salida, su corriente instantánea de entrada / interruptor al encender el interruptor será de al menos 100 A, y posiblemente de hasta miles de amperios.

Por supuesto, solo tendrá esos picos de vez en cuando, dependiendo de la carga de salida y la rigidez de su ciclo de comparación. El resto del tiempo, su entrada / interruptor de corriente es cero. Por lo tanto, puede estar obteniendo un promedio de 1A, pero lo que ve la entrada son picos de 1000A en un ciclo de trabajo de .1%. Los picos de corriente grandes y regulares como ese harán que la fusión adecuada sea un problema; ¡La corriente RMS de ese tipo de onda termina siendo aproximadamente 18 veces la corriente promedio! También requieren un interruptor más robusto, que no se saturará con corrientes instantáneas tan altas. ¡Por no hablar del ruido electromagnético que esa disposición aplazaría!

Es mejor dejar el transistor en un modo analógico y simplemente ajustar su voltaje de compuerta para que la resistencia de la fuente de drenaje mantenga la tapa de salida al voltaje deseado. Y ahí tienes un regulador lineal.

Nick: Dejaré la discusión del convertidor inductor en gran parte a otros y abordaré:

¿Por qué no construir un convertidor reductor como un interruptor que carga un condensador, con el interruptor controlado por un comparador que compara el voltaje de salida con una referencia? ¿No sería eso mucho más simple, permitirle usar un condensador más fácil y barato en lugar del inductor, y omitir el diodo por completo?

Usando métodos MUY especiales, es posible hacer convertidores de condensadores que transformen eficientemente la energía de un nivel de voltaje a otro. PERO los métodos simplistas fallan gravemente. Un convertidor de condensador de una sola etapa que reduce a la mitad el voltaje al descargar la carga de un condensador a otro de igual capacitancia tiene una eficiencia teórica del 50% y una práctica de no más que la teórica y probablemente menos. Esto se debe a la simple aplicación de 'las leyes de la física'. La desafortunada realidad es que los requisitos para lograr una buena eficiencia se cumplen mucho más fácilmente con un convertidor de base inductor que con un condensador basado.

Prueba este simple experimento mental.
Tome dos condensadores C1 y C2 de igual capacitancia.
Cargue C1 para decir 10V.
Una fórmula básica que relaciona carga y capacitancia es V = kQ / C
donde V es voltaje de condensador, k es constante, Q es carga y C = capacitancia. Ahora conecte C2 a C1.
La carga en C1 ahora se compartirá por igual entre C1 y C2.
Entonces, el voltaje en cada condensador es de 5V, ya sea porque la carga en cada uno es la mitad del original o porque la capacitancia se ha duplicado, 2 formas de ver lo mismo.

Hasta aquí todo bien.

PERO la energía en un condensador es 0.5 x C x V ^ 2.

Inicialmente por encima de E = 0.5 x C x 10 ^ 2 = 50C unidades de energía.
Después de combinar los dos condensadores de energía por cap = 0.5 x C x 5 ^ 2 o para dos caps de
energía = 2 x 0.5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Unidades de energía.
Oh querido ! :-(. ¡
Simplemente combinando los dos condensadores y haciéndolos compartir la carga, HEMOS DETENIDO la energía presente! ¡La
mitad de la energía se ha perdido en el proceso!
Este hecho aparentemente extraño e inexplicable se debe a pérdidas de energía resistiva durante la transferencia. MEJOR perdemos la mitad de la energía si el voltaje se reduce a la mitad de esta manera. El resultado mínimo de energía perdida es el mismo si utilizamos un gran valor de resistencia para transferir energía o una resistencia de muy bajo valor, como un trozo de cable, una pequeña fracción de un ohmio. En el último caso tenemos corrientes extremadamente altas.

Una solución "obvia" es "colocar los condensadores uno encima del otro" para cargarlos y colocarlos en paralelo para descargarlos. ¡Esto funciona! Por un ciclo. Eficiencia teórica = 100%. Hacer esto en la práctica en este caso requiere al menos 2 x conmutadores de cambio con complejidad y pérdidas y solo funciona para una relación 2: 1. Peor aún, si reducimos el voltaje de la tapa con carga, por lo que es necesario volver a acortarlo para el próximo ciclo, encontramos que la recarga tiene las mismas pérdidas resistivas que antes. Obtenemos una eficiencia teórica del 100% solo si no sacamos energía :-(.
Una solución es hacer que el voltaje del condensador caiga solo una cantidad muy pequeña y se recargue solo una pequeña cantidad. Si hacemos esto, la eficiencia puede ser cercana al 100%, PERO necesitamos grandes tapas por corriente de carga (ya que la mayor parte de la capacidad se usa para mantener el voltaje estable) y todavía solo tenemos una relación de conversión de 2: 1. Se pueden lograr otras proporciones, pero es molesto, complejo y costoso, y tiene pocas o ninguna ventaja sobre el uso de inductores en la mayoría de los casos. Algunos convertidores muy especializados trabajan de esta manera, pero son raros. Y puede comprar circuitos integrados de convertidor ascendente o descendente con algunas relaciones fijas como 2: 1, 3: 1, 4: 1, pero generalmente son de baja potencia, Vout cae con carga (Zout más alto de lo que es bueno) y generalmente son inferiores en muchos sentidos a un convertidor basado en inductor.

Es por eso que generalmente ves un convertidor de dinero simple, simple y barato en uso para la reducción de voltaje. El convertidor real usa 1 x L, 1 x D, 1 x interruptor (MOSFET o lo que sea) y el resto es "pegamento" o mejoras. El controlador también puede ser muy simple.

Sería imposible mantener constante el voltaje del condensador. Cada vez que cierre el interruptor, descargará un voltaje (¿qué voltaje?) Y el voltaje aumentará debido a un pico de corriente alto. Al condensador tampoco le gustaría. Y perderá mucha energía en el cambio.

En un conmutador, la bobina hace que la corriente que carga el condensador se eleve suavemente y que, en promedio, siga la corriente de carga. El diodo es necesario para cuando se abre el interruptor. En ese momento, la bobina ha acumulado un campo magnético cuya energía tiene que ir a algún lado. El diodo cierra el circuito que permite que la corriente de la bobina siga fluyendo.

Gracias a dispositivos de conmutación más avanzados, los convertidores de dinero son mucho más fáciles de construir en estos días de lo que su teoría de operación sugeriría. Y pueden lograr hasta un 95% de eficiencia, lo que nunca puede hacer con solo encender y apagar un condensador.

La forma más sencilla de comprender la necesidad del diodo es pensar cuántas veces pueden pasar los electrones a través de la carga cada vez que pasan por el suministro. Si no hay diodo, entonces cada electrón que atraviesa la carga debe volver a pasar por el suministro nuevamente antes de que pueda volver a visitar la carga. Agregar el diodo hace posible que algunos electrones visiten la carga, atraviesen el diodo y visiten la carga nuevamente sin tener que volver a pasar por el suministro. La bobina es necesaria porque sin ella, los electrones que atraviesan la carga y alcanzan el diodo no tendrán suficiente energía para atravesar el diodo y visitar la carga nuevamente. La bobina absorbe el exceso de energía de los electrones que salen del suministro, y luego los alimenta a los electrones recirculados.

Puede reducir un voltaje de CC con una relación de resistencia, una en serie, Rs y la resistencia, RL y carga en derivación a común, pero sabe que no es eficiente con pérdida de potencia = V * I en la serie Rs.

Puede bajar con una relación de resistencia conmutada (como sugirió) y luego la resistencia en serie es una función del ciclo de trabajo y cambiar la resistencia en serie efectiva (ESR),

por lo tanto Rs = ESR / T {donde T es tiempo ON / tiempo de ciclo para T = 0 a 1}

Ahora su carga necesita capacitancia para estabilizar el voltaje y tal vez un zener activo y aún habrá pérdida en la resistencia en serie. Considere una relación de 10: 1, entonces la corriente es 10 veces más alta, pero en 1/10 del tiempo, entonces P = V * I * T, la pérdida de potencia es la misma que la de un regulador lineal. ¿Tener sentido?

El inductor proporciona la corriente constante mientras baja el voltaje. Dado que la corriente es en gran medida reactiva y desfasada para la señal de CA conmutada por reloj como dispositivo reductor, es mucho más eficiente. ¿Tener sentido? Al hacer que la impedancia reactiva sea mucho más baja que la carga, puede ser aún más eficiente. Esto significa aumentar la velocidad de conmutación y el valor de inductancia. Pero la saturación de ferrita alcanza un límite de corriente práctico y es crítico ir con ferrita con espacio de aire para corrientes mucho más grandes.