Paso actual al circuito LC

Un convertidor reductor es básicamente un voltaje modulado por ancho de pulso (PWM) en serie con un filtro de paso bajo. La salida del filtro es (idealmente) el valor promedio de CC del voltaje PWM:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El voltaje PWM se genera al cambiar un voltaje de entrada de CC. Cuando el interruptor 1 está encendido, el interruptor 2 está apagado y viceversa:

^{simular este circuito}

La conmutación se realiza comúnmente con un MOSFET y un diodo. El MOSFET está controlado por una señal PWM, que puede ser producida por un circuito analógico (usando una onda de diente de sierra y un comparador) o un circuito digital (usando un contador):

^{simular este circuito}

El filtro de paso bajo podría ser un filtro RC, pero eso desperdiciaría mucha energía. En su lugar, se usa un filtro LC porque los filtros LC son (idealmente) sin pérdidas:

^{simular este circuito}

Finalmente, se agrega un sistema de control de retroalimentación para compensar la variación de los componentes y mejorar el rendimiento transitorio del convertidor:

^{simular este circuito}

Y eso es un convertidor de dinero. Una variación común es el convertidor reductor síncrono, que reemplaza el diodo con otro MOSFET para reducir las pérdidas por conducción. Los convertidores prácticos pueden tener otras características, como protección contra sobrecarga o arranque suave.

En un convertidor reductor, el inductor es parte de un filtro LC. Pero a veces es más útil pensar en él como un relé de energía, especialmente cuando se observan otras topologías de convertidores. La idea básica es que cuando el MOSFET está encendido, la fuente de voltaje de entrada almacena energía en el inductor. Cuando el MOSFET está apagado, el inductor libera esa energía en la carga. Esto es más fácil de ver en un convertidor reductor-elevador, donde la fuente de entrada y la carga nunca están directamente conectadas:

^{simular este circuito}

En todos los casos, el capacitor está ahí para suavizar el voltaje de salida. La corriente del inductor no es constante, por lo que sin el capacitor, el voltaje de salida variaría durante el ciclo de conmutación. (¡En los convertidores reductor y reductor-elevador, el inductor ni siquiera está siempre conectado a la carga!) No es un amortiguador ya que siempre hay una ruta de corriente para el inductor.

¿Alguien puede explicar intuitivamente qué está pasando exactamente en el circuito LC? ¿Cómo se debe analizar?

Analícelo en el dominio de la frecuencia porque ES un filtro: -

Para frecuencias de hasta aproximadamente "1", la salida es prácticamente la misma que la entrada. Para frecuencias más altas, la salida se reduce rápidamente a medida que aumenta la frecuencia.

Por ejemplo, entre 10 y 100, la amplitud de salida cae 40 dB y podemos hacer una aproximación bastante razonable y usamos la línea verde en el gráfico de arriba. Si usamos la línea verde podemos decir: -

• De DC a 1 la salida es constante
• De 1 a 100, la salida se ha reducido en 80 dB

Entonces, usando un ejemplo práctico, digamos que el regulador reductor está cambiando a 100kHz y el filtro está configurado para tener un punto de 3dB a 1kHz. El valor promedio de la forma de onda de conmutación es el voltaje de CC que queremos en la salida. Pero también recibimos algo de ruido del cambio. Si la forma de onda de conmutación fuera de 10 Vp-p, podríamos presentar un argumento razonable para decir que esto se atenuaría en 80 dB en comparación con las frecuencias bajas.

La atenuación de 80 dB de 10 Vp-p es 1 mVp-p, por lo que, con una onda cuadrada de 10 Vp-p en la entrada, la salida será un valor de CC superpuesto con unos pocos milivoltios de ondulación. La salida de CC es, por supuesto, el valor medio de la forma de onda de conmutación y, si el ciclo de trabajo es del 50 %, el valor medio será de 5 V.