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

Los convertidores reductores son tan simples como los convertidores elevadores. De hecho, son exactamente el mismo circuito, solo que visto al revés, si tenemos la libertad de elegir qué interruptor (de los dos) funcionará como el 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 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. 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 de la complejidad añadida, aparentemente innecesaria, de los reguladores conmutados basados ​​en inductores.

Más : Para tratar de darte una idea de por qué existen los convertidores buck y boost, mira 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 algún escalado 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 inductores.

Las bombas de carga estarían en la columna de la izquierda. Su eficiencia máxima teórica es inferior al 100% (la eficiencia real depende de la diferencia de voltajes y las capacitancias). Los reguladores conmutados basados ​​en inductores están en la columna de la derecha. Su eficiencia máxima 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 adentro, porque los otros 5 A llegan a 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 hacia la salida, y esa es directamente desde la entrada. Con esa topología, si su corriente de salida promedio es de 10 A, su corriente de entrada promedio también debe ser de 10 A. Y si pierde voltaje de entrada a salida, mientras que 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 ellos, 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 del camino entre las dos fuentes perfectas será la resistencia en estado activo 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 estado activo 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 hasta miles de amperios.

Por supuesto, solo tendrá esos picos de vez en cuando, según la carga de salida y la estrechez de su ciclo de comparación. El resto del tiempo, su corriente de entrada/interruptor es cero. Entonces, es posible que esté 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 regulares como ese harán 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. ¡Por no hablar del ruido electromagnético que ese arreglo provocaría!

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

Nick: dejaré en gran medida la discusión del convertidor de inductor a otros y abordaré:

¿Por qué no construir un convertidor reductor como un interruptor que carga un capacitor, 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 capacitor disponible más fácil y económico en lugar del inductor y omitir el diodo por completo?

Usando métodos MUY especiales, es posible hacer convertidores de capacitores que transformen eficientemente la energía de un nivel de voltaje a otro. PERO los métodos simplistas fallan gravemente. Un convertidor de capacitor de una sola etapa que reduce a la mitad el voltaje descargando la carga de un capacitor 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 de inductor que con uno basado en condensador.

Prueba este sencillo experimento mental.
Tome dos capacitores C1 y C2 de igual capacitancia.
Cargue 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 la carga y C = capacitancia. Ahora conecte C2 a C1.
El cargo en C1 ahora se compartirá por igual entre C1 y C2.
Entonces, el voltaje en cada capacitor es de 5 V, 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 ahora tan bueno.

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 = 50C unidades de energía.
Después de combinar la energía de los dos condensadores por tapa = 0,5 x C x 5 ^ 2 o para
la energía de dos tapas = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Unidades de energía.
Oh querido ! :-(.
¡Simplemente combinando los dos capacitores y haciendo que compartan la carga, hemos REDUCIDO A LA MITAD 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. Lo MEJOR es que perdamos 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 usemos una resistencia de gran valor para transferir energía o una resistencia de muy bajo valor, como un trozo de alambre, una pequeña fracción de un ohm En este último caso obtenemos corrientes extremadamente altas.

Una solución "obvia" es "colocar los condensadores uno encima del otro" para cargarlos y colocarlos en paralelo para descargarlos. ¡Esto funciona! Para un ciclo. Eficiencia teórica = 100%. Hacer esto en la práctica en este caso requiere al menos 2 x interruptores de cambio con complejidad y pérdidas y solo funciona para una proporción de 2:1. Peor aún, si reducimos el voltaje del límite con la carga, por lo que debe recargarse 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 especie de solución es hacer que el voltaje del capacitor caiga solo una cantidad muy pequeña y se recargue solo una cantidad pequeña. Si hacemos esto, la eficiencia puede estar cerca del 100%, PERO necesitamos grandes límites por corriente de carga (ya que la mayor parte de la capacidad se usa para mantener el voltaje constante) y todavía tenemos una relación de conversión de 2:1. Se pueden lograr otras relaciones, pero es molesto, se vuelve complejo y costoso y tiene pocas o ninguna ventaja sobre el uso de inductores en la mayoría de los casos. Algunos convertidores muy especializados funcionan de esta manera, pero son raros. Y puede comprar circuitos integrados convertidores hacia arriba o hacia abajo con algunas relaciones fijas, como 2: 1, 3: 1, 4: 1, pero generalmente son de baja potencia, Vout cae con la 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 se ve un convertidor reductor simple, económico y fácil de usar 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?) En él, y el voltaje aumentaría 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 capacitor aumente suavemente y que, en promedio, siga a la corriente de carga. El diodo es necesario para cuando se abre el interruptor. En ese momento la bobina ha creado 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 reductores son mucho más simples de construir en estos días de lo que sugiere su teoría de funcionamiento. Y pueden lograr una eficiencia de hasta el 95 %, lo que nunca se puede lograr con solo encender y apagar un capacitor.

La forma más sencilla de entender la necesidad del diodo es pensar en cuántas veces los electrones pueden pasar por la carga cada vez que pasan por el suministro. Si no hay diodo, entonces cada electrón que pasa por la carga debe volver a pasar por el suministro antes de que pueda volver a visitar la carga. Agregar el diodo hace posible que algunos electrones visiten la carga, pasen por 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 llegan al 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 llegan frescos del suministro y luego los alimenta a los electrones recirculados.

Puede reducir un voltaje de CC con una relación de resistencia, uno 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 reducir 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 del interruptor (ESR),

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

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

El inductor proporciona la corriente constante mientras reduce 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 volverse aún más eficiente. Esto significa aumentar la velocidad de conmutación y el valor de la inductancia. Pero la saturación de ferrita alcanza un límite de corriente práctico y es fundamental optar por ferrita con espacio de aire para corrientes mucho más grandes.