Inductor vs un condensador

Soy un electricista en prácticas y entusiasta del hardware de PC. Me preguntaba por qué se usa una mezcla de inductores y condensadores en las placas base. ¿Por qué no solo usar condensador? Pensé que el inductor almacena carga eléctrica pero usa magnetismo. ¿Qué tiene de especial almacenarlo como magnetismo?

Para responder esto correctamente, debe conocer las propiedades de un condensador y un inductor.

Los inductores son uno de los componentes principales requeridos por un regulador de conmutación. Un condensador y un inductor son similares en la forma en que un condensador resiste un cambio de voltaje y un inductor resiste un cambio de corriente. La "fuerza" de su resistencia depende de su valor.

Los condensadores se usan ampliamente para limpiar una línea de suministro de energía, es decir, eliminar el ruido o la ondulación a frecuencias (más altas). Los inductores se usan en fuentes de alimentación conmutadas donde una corriente relativamente constante pasa a través de un inductor. Una fuente de alimentación conmutada funciona porque un interruptor se abre y se cierra muy rápidamente. Cuando el interruptor está cerrado, el inductor está 'cargado'. Cuando el interruptor está abierto, la energía se extrae del inductor hacia la carga. Por lo general, dicha fuente de alimentación se desacopla con un condensador para crear una línea de fuente de alimentación estable.

Se requiere un inductor para que este principio funcione. Si conoce una resistencia que tenga una resistencia igual para todas las frecuencias de señal, debe ver un condensador como una resistencia que será infinita para CC (0Hz) y 0 para frecuencias altas. Un inductor será lo contrario: su resistencia será 0 a 0Hz e infinito a altas frecuencias. Sin embargo, no llamamos a esto resistencia (¡eso solo se usa para una resistencia pura!) Sino impedancia.

Una placa base de PC o una tarjeta gráfica básicamente no es mucho más que esto. Tienen sus chips principales y el enrutamiento entre ellos, y la mayoría de los otros componentes son fuente de alimentación o un poco de interfaz entre chips o conectores.

La propiedad eléctrica básica de un condensador es que el voltaje a través de un condensador no puede cambiar instantáneamente, mientras que la propiedad básica de la inductancia es que la corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente. Los condensadores conservan el voltaje almacenando energía en un campo eléctrico, mientras que los inductores conservan la corriente almacenando energía en un campo magnético.

Un resultado de esto es que mientras los condensadores se comportan mejor a frecuencias más altas, los inductores se comportan mejor a frecuencias más bajas. Otro resultado es que si pones una corriente alterna a través de un condensador, el voltaje se quedará atrás de la corriente en algún ángulo de fase que depende de la capacitancia y la frecuencia: los condensadores inhiben los cambios en el voltaje. Mientras tanto, si coloca un voltaje de CA a través de un inductor, la corriente se retrasará por detrás del voltaje en un ángulo de fase que depende de la inductancia y la frecuencia: los inductores inhiben los cambios en la corriente.

En algunas situaciones, los inductores y condensadores pueden sustituirse entre sí. En otros, no pueden. Por supuesto, nunca sustituyen directamente . Lo que esto significa es que algunos circuitos pueden modificarse ligeramente para que se use un inductor en lugar de un condensador o viceversa para lograr el mismo propósito. Algunos circuitos no pueden.

Un inductor no almacena una carga en su campo magnético, sino más bien energía. Cuando se deja colapsar el campo magnético, el inductor generará espontáneamente un voltaje. El voltaje suele ser mucho más alto que cualquier voltaje que se haya aplicado previamente al inductor. Un condensador nunca exhibirá un voltaje que sea mayor que el que se le aplicó. Entonces, por ejemplo, un condensador no puede usarse para construir una bobina de encendido para un motor de gasolina.

Un condensador en serie es similar a un inductor en paralelo, en algunos aspectos. Ambos enfoques pueden hacer un filtro con la misma respuesta de frecuencia. Sin embargo, los efectos de carga de estos circuitos no son los mismos. Un condensador en serie bloquea CC, y por lo tanto, para una fuente de CC, parece una impedancia infinita: la carga más ligera posible. Un inductor en paralelo es exactamente lo contrario: un cortocircuito. Los dos solo se parecen desde la perspectiva del dispositivo de carga: ve una señal que ha sido filtrada por paso alto y está libre de CC. Pero el DC no se elimina de la misma manera. Bloquear una señal con una carga abierta no es lo mismo que cortocircuitar una señal a tierra.

Del mismo modo, un inductor en serie es similar a un condensador en paralelo, pero nuevamente, el efecto de carga no es el mismo. Podemos usar un condensador para evitar que AC, o AC por encima de ciertas frecuencias, ingrese a un circuito, derivando esas señales al retorno. A veces eso es aceptable, como cuando se bloquea el ruido de RF para que no ingrese a un dispositivo. En algunos otros casos, la derivación de CA a tierra puede crear una carga inaceptable en la fuente de esa señal. Un inductor puede bloquear CA creando una alta impedancia contra él.

Entonces, incluso en los circuitos donde potencialmente podemos sustituir inductores paralelos por condensadores en serie y viceversa, la consideración de las diferencias de carga puede requerir que elijamos uno u otro.

Esta es la pregunta que me desconcertó durante bastante tiempo, incluso hice una simulación del convertidor "reductor" sin el inductor, así que ahora descubrí lo que está mal :-).

Básicamente, si omite el inductor, funcionará. Pero la eficiencia sería como en un regulador lineal: la caída de voltaje se debería solo a la caída de las resistencias parásitas desde el suministro de 12v al condensador de salida.

El inductor funciona como una resistencia aquí, pero no desperdicia energía, sino que lo bombea lentamente al condensador.

Los inductores se colocan en línea para filtrar el ruido eléctrico. Las tapas se colocan en paralelo para derivar el ruido al suelo. Ambos pueden causar un cambio de fase entre voltaje y corriente, pero lo hacen en direcciones opuestas para que el efecto se cancele.

$X_C =X_L$$X_L= 2{\pi}fL$$X_{C}=\frac{1}{2{\pi}f C}$$V=0.707V_{max}$

El núcleo de la respuesta fue dado por Jim C. La mayoría de los materiales didácticos muestran un condensador en serie equivalente a un inductor en paralelo, y viceversa. Eso no es completamente cierto, porque cada uno cambiará la fase a una dirección opuesta. Entonces, si no desea el cambio, debe combinar el inductor y el condensador. En algunas circunstancias, el cambio es aceptable en una sola dirección, por lo que puede usar el condensador o el inductor de acuerdo con eso. Aquí hay una explicación completa del tema.