¿Por qué los reguladores de conmutación buck (paso hacia abajo) requieren un inductor y un diodo?

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

Con respecto a su segundo párrafo, si lo hiciera, 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 capacitor cuyo voltaje inicial no es el mismo que el de la fuente de voltaje, inevitablemente desperdicia energía. Incluso si no ves una resistencia explícita, en la vida real está ahí, y (curiosamente) no importa cuán pequeña sea, desperdiciará la misma cantidad de energía. Consulte aquí .

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

Por lo tanto, esa es la justificación de la complejidad añadida, aparentemente innecesaria, de los reguladores conmutados basados en inductores.

Más : para tratar de darte la intuición de por qué existen los convertidores buck y boost, consulta 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 realizar una escala de voltaje o corriente en el camino) sin pérdida de cualquier , si conecta una fuente de voltaje a una fuente de corriente. El elemento físico pasivo que más se parece a una fuente actual 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 están en la columna derecha. Su teórico máxima eficiencia es del 100% (!).

El problema con lo que estás describiendo es actual. En un convertidor de dólar, puede obtener un promedio de 10 A con solo 5 A de entrada, porque el otro 5 A alcanza la salida a través del diodo. Y el diodo solo está sesgado 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 de la entrada. Con esa topología, si su corriente de salida promedio es de 10A, su corriente de entrada promedio también debe ser de 10A. Y si está perdiendo voltaje de entrada a salida, mientras que la corriente permanece igual, la energía perdida se disipa como calor. Esto elimina el propósito de utilizar un regulador de conmutación en lugar de un regulador lineal en primer lugar.

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

Por supuesto, solo tendrás esos picos de vez en cuando, dependiendo de la carga de salida y la tensión de tu ciclo de comparación. El resto del tiempo, su corriente de entrada / interruptor es cero. Por lo tanto, es posible que esté obteniendo un promedio de 1 A, pero lo que ve la entrada es un aumento de 1000 A en un ciclo de trabajo de 0,1%. Las puntas de corriente grandes y regulares como esa van a hacer que la fusión adecuada sea un problema; ¡La corriente RMS de ese tipo de onda termina siendo algo así como 18 veces la corriente promedio! También requieren un interruptor más robusto, que no se sature con corrientes instantáneas tan altas. ¡Para no decir nada del ruido electromagnético que disiparía esa disposición!

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

Nick: dejaré en gran medida la discusión sobre el convertidor de inductor para otros y me dirigiré:

  

¿Por qué no construir un convertidor reductor como un interruptor que carga un condensador, con el interruptor controlado por un comparador que compara la tensión de salida con una referencia? ¿No sería eso mucho más simple, permitirle usar un condensador disponible 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 mal. Un convertidor de condensador de una sola etapa que reduce a la mitad el voltaje descargando 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 menor. 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 satisfacen mucho más fácilmente con un convertidor de base de inductor que con uno basado en condensadores.

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

Hasta ahora todo bien.

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

Inicialmente por encima de E = 0.5 x C x 10 ^ 2 = unidades de energía 50C.
 Después de combinar los dos condensadores, energía por tapa = 0.5 x C x 5 ^ 2 o para dos tapas
 energía = 2 x 0.5 x C x 5 ^ 2 = 25C Unidades de energía.
 Oh querido ! :-(.
 Simplemente combinando los dos condensadores y haciendo que compartan la carga, HALVEDOS la energía presente.
 ¡La mitad de la energía se ha perdido en el proceso!
 Este hecho aparentemente extraño e inexplicable se debe a las pérdidas de energía resistiva durante la transferencia. En BEST, perdemos la mitad de la energía si el voltaje se reduce a la mitad de esta manera. El resultado mínimo de pérdida de energía es el mismo, ya sea que utilicemos un gran valor de resistencia para transferir energía o una resistencia de valor muy bajo, como un trozo de cable, una pequeña fracción de un ohm. En este 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 conmutadores de cambio con complejidad y pérdidas y solo funciona para una proporción de 2: 1. Peor aún, si reducimos el voltaje de la tapa con la carga, por lo que debe ser recuperada para el siguiente ciclo, encontramos que la recarga tiene las mismas pérdidas de resistencia que antes. Obtenemos una eficiencia teórica del 100% solo si no extraemos energía :-(.
 Una solución de todo tipo es hacer que el voltaje del capacitor caiga solo una cantidad muy pequeña y que se recargue solo una cantidad pequeña. Si hacemos esto, la eficiencia puede ser cercana al 100%, PERO necesitamos grandes límites por corriente de carga (ya que la mayor parte de la capacidad se usa para mantener el voltaje estable) y aún tenemos una relación de conversión de 2: 1. Se pueden lograr otras relaciones, pero es molesto, es 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 convertidores ascendentes o descendentes 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 usualmente son inferiores de muchas maneras a un convertidor basado en inductor.

Este es el motivo por el que normalmente se ve un buen conversor simple, sencillo y barato en uso para reducir el 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 capacitor. 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 aumente 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 alguna parte. El diodo cierra el bucle que permite que la corriente de la bobina siga fluyendo.

Gracias a los dispositivos de conmutación más avanzados, los convertidores Buck son mucho más simples de construir en estos días de lo que sugiere su teoría de operación. Y pueden lograr una eficiencia de hasta el 95%, lo que no puede hacer con solo encender y apagar un capacitor.

La forma más sencilla de comprender la necesidad del diodo es pensar en cuántas veces los electrones pueden pasar por la carga por cada vez que pasan por el suministro. Si no hay diodo, entonces cada electrón que pasa por la carga debe volver a través de la fuente antes de poder volver a visitar la carga. Agregar el diodo hace posible que algunos electrones visiten la carga, pasen por el diodo y vuelvan a visitar la carga sin tener que volver a través del 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 volver a visitar la carga. La bobina absorbe el exceso de energía de los electrones que vienen de la fuente 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 & carga en derivación a común, pero sabe que no es eficiente con una pérdida de potencia = V * I en la serie Rs.

Usted puede disminuir con una relación de Resistencia conmutada (como sugirió) y luego la resistencia en serie es una función del ciclo de trabajo y la resistencia en serie efectiva (ESR),

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

Ahora su carga necesita capacitancia para estabilizar el voltaje y quizás un zener activo y aún habrá pérdidas en la resistencia en serie. Considere la relación 10: 1, entonces la corriente es 10 veces mayor pero en 1/10 del tiempo, por lo tanto, P = V * I * T, la pérdida de potencia es la misma que la de un regulador lineal. Haga sentido?

El inductor proporciona la corriente constante mientras reduce el voltaje. Dado que la corriente es en gran parte reactiva y desfasada para la señal de CA conmutada por reloj como un dispositivo reductor, es mucho más eficiente. ¿Tener sentido? Al hacer que la impedancia reactiva sea mucho menor que la carga, puede ser incluso 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 fundamental ir con ferrita con huecos de aire para corrientes mucho más grandes.