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.