Perché le pompe di carica vengono utilizzate solo per applicazioni a bassa corrente?

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In genere gli elementi più costosi (e difficili da ottenere) in un SMPS sono gli induttori. Quindi mi chiedevo se fosse possibile utilizzare alimentatori in modalità di commutazione senza induttore (ovvero pompe di carica) per casi di utilizzo generico, ad esempio un alimentatore da banco, convertitori CC-CC fissi ad alta potenza (diversi ampere e alcune centinaia di watt di potenza ), eccetera.

Tutti i progetti di pompe di carica che ho potuto trovare erano per applicazioni a bassa potenza. Cosa impedisce di progettare un alimentatore senza induttore ad alta potenza? Ci sono alcune limitazioni fisiche intrinseche?

— Ali Alavi
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Sospetto che gli induttori possano immagazzinare più energia per unità di volume / costo rispetto ai condensatori: prova il calcolo del retro di un inviluppo per la dimensione dei condensatori di cui avresti bisogno per un'ipotetica pompa di carica.

— pjc50,

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Hai incluso un ESR realistico (resistenza in serie) per quei condensatori? I simulatori sono come la carta: puoi far funzionare qualsiasi cosa / non funzionare su di essi ;-)

— Bimpelrekkie

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Un alimentatore a commutazione correttamente costruito necessita di un PCB ed è probabilmente il PCB a essere l'oggetto più costoso e difficile da ottenere perché è necessario progettarlo!

— Andy aka

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@Andyaka Il PCB non è né il più costoso né il più difficile da ottenere.

— Ali Alavi,

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Un condensatore da 10uF che fornisce 10A cadrà di un volt per microsecondo. Con una frequenza di commutazione di 50 Khz, vedresti un'ondulazione del 100%.

— Supercat,

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Ci sono due problemi con la tua idea. Uno pratico e uno fondamentale.

Il problema pratico è che per quantità di condensatori di energia immagazzinati sono più costosi degli induttori e, soprattutto, l'età dei condensatori ad alta capacità (elettrolitica).

Il problema fondamentale è che caricare un condensatore da una fonte di tensione è fondamentalmente a perdita (si dissipa il calore). Ciò può sembrare controintuitivo, ma è comunque vero. (C'è stata una domanda al riguardo qualche tempo fa.) Quindi un convertitore di tensione a condensatore volante, anche ideale, è intrinsecamente inefficiente. (Un convertitore di tensione basato su induttore ideale è efficiente al 100%.)

Potresti pensare strano che il mondo sia ingiusto nei confronti dei condensatori, ma questa è la nostra colpa umana: forniamo energia principalmente da fonti di tensione. Per le fonti attuali è vero il contrario: un convertitore di corrente ideale da condensatori volanti può essere efficiente al 100%, mentre uno da induttori deve essere necessariamente a perdita.

— Wouter van Ooijen
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Grazie. Non riesco a capire il fatto che i condensatori sono più costosi degli induttori (in un'impostazione SMPS). La mia esperienza è che, almeno per piccole quantità, ho bisogno di fare alcuni calcoli, acquistare nuclei e fili specifici e avvolgere il filo attorno al nucleo da solo. Richiede molto tempo. Mentre con un condensatore, ne compro uno già pronto. D'altra parte, sono un principiante assoluto nel dominio SMPS, quindi probabilmente ci sono modi migliori per aggirare.

— Ali Alavi,

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Puoi sicuramente acquistare induttori già pronti! Ma presta attenzione al mio secondo punto: un convertitore di tensione basato su condensatore è intrinsecamente in perdita. Assolutamente no.

— Wouter van Ooijen,

Sembra che ho detto essenzialmente la stessa cosa .. più tardi. oops.

— Spehro Pefhany,

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Eh, bello (+ 1 è ovunque.) È questa la domanda precedente? electronics.stackexchange.com/questions/54992/… . Conoscevo calotte e fonti di tensione ... ma non ci avevo mai pensato!

— George Herold,

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@Agent_L Oh, intendevo un riferimento per maggiori dettagli su come personalizzare a mano gli induttori, non un riferimento per supportare la tua richiesta :)

— Ali Alavi,

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I condensatori sarebbero migliori se la sorgente e l'uscita fossero a corrente costante. È possibile caricare il condensatore fino a quando la tensione è salita a un certo livello, quindi scaricare il condensatore nell'impedenza di carico per mantenere una corrente di uscita costante. Utilizzeresti un grande induttore come filtro di uscita per mantenere costante la corrente di uscita.

Dato che le nostre fonti sono a tensione costante e di solito desideriamo una tensione di uscita costante, l'uso di induttori per immagazzinare energia e condensatori per filtrarlo ha più senso.

Tutti gli alimentatori a commutazione efficiente dispongono sia di condensatori che di induttori.

Sì, le pompe di carica (condensatore volante) possono prendere una tensione e spostarla, capovolgerla, anche moltiplicarla per numeri interi e simili, ma ogni volta che si carica o scarica un condensatore attraverso un interruttore resistivo si perde una parte del cambiamento di energia del condensatore nell'interruttore stesso: una variazione di tensione maggiore comporta maggiori perdite. Un interruttore di resistenza inferiore significa solo che l'energia persa per una data variazione di tensione viene compressa in un intervallo di tempo più piccolo, il totale rimane costante.

— Spehro Pefhany
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"ogni volta che carichi o scarichi un condensatore attraverso un interruttore resistivo perdi metà del cambiamento di energia del condensatore nell'interruttore stesso." questo è vero se si carica e scarica completamente il condensatore ogni volta. Se lo scarichi solo parzialmente puoi fare di meglio.

— Peter Green,

@PeterGreen "cambiamento di energia" non energia totale.

— Spehro Pefhany,

Diciamo che un condensatore farad inizia a 5 V e viene caricato a 6 V attraverso un resistore da una sorgente a 6 V. Energia nel condensatore prima = 0,5 * 1 * 5 * 5 = 12,5. Energia nel condensatore dopo = 0,5 * 1 * 6 * 6 = 18. Energia aggiunta al condensatore = 18-12,5 = 5,5. Energia prelevata dalla fornitura = (6-5) * 1 * 6 = 6. Si perdono solo 0,5 joule di energia per aggiungere 5,5 joule di energia al condensatore.

— Peter Green,

Quando si carica un condensatore da zero a pieno attraverso un resistore, si perde effettivamente metà dell'energia, ma il rapporto tra energia aggiunta e energia persa non è costante. La fase iniziale della carica è molto in perdita, la fase avanzata è molto efficiente.

— Peter Green,

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"Potresti caricare il condensatore fino a quando la tensione è salita a un certo livello, quindi scaricare il condensatore nell'impedenza di carico per mantenere una corrente di uscita costante." - a quanto pare, questo è solo un convertitore buck con un condensatore aggiuntivo sull'ingresso .

— user253751

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Se due condensatori o stringhe di serie di condensatori con tensioni diverse sono collegati tra loro, le loro cariche si esauriranno in media in modo da ridurre la quantità di energia immagazzinata al loro interno. Se sono collegati usando un induttore, l'energia in eccesso verrà trasferita a quell'induttore e successivamente potrà essere utilizzata per uno scopo utile. Se la connessione è puramente resistiva, l'energia verrà convertita al 100% in calore. Ridurre al minimo la resistenza non ridurrà la perdita di energia; ridurrà semplicemente il tempo necessario perché si verifichi.

Di conseguenza, affinché una pompa di carica sia efficiente, i condensatori devono essere sufficientemente grandi che la tensione che li attraversa non varia mai molto. Nei casi in cui una pompa di carica non ha bisogno di trasportare molta energia, si può usare un regolatore lineare sull'uscita e aumentare la tensione abbastanza che nelle condizioni di ondulazione nel caso peggiore la tensione di uscita sarà ancora abbastanza alta per mantenere la regolazione, ma l'efficienza sarà limitato dal rapporto tra la tensione di carico moltiplicata per il rapporto di sovralimentazione e la tensione di sorgente.

— Supercat
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Ci sono alcuni problemi con le pompe di carica.

non possono offrire allo stesso tempo efficienza e regolazione della tensione. L'unico modo per regolare la tensione di uscita in modo che rimanga costante durante le variazioni della tensione di ingresso e delle variazioni di carico è introdurre deliberatamente inefficienza.
La corrente deve passare attraverso due elementi di commutazione (diodi o transistor) durante entrambe le parti del ciclo di carica e scarica (mentre con un convertitore buck o boost deve passare solo attraverso un elemento di commutazione alla volta).
L'efficienza dipende in larga misura dal rapporto tensione ingresso / uscita desiderato. Se vuoi dire un convertitore di tensione 1,5x, allora dovresti usare una complessa disposizione multi-stadio o creare un convertitore 2x ed eseguirlo in una modalità deliberatamente inefficiente.

— Peter Green
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Per quanto riguarda il punto 3, qualsiasi rapporto intero è possibile in modo efficiente senza molta complessità aggiunta. Per 1,5x, caricare i tappi nelle connessioni della serie 2 (in modo che ciascuna veda 0,5 volte la tensione di alimentazione) e scaricare in 3 serie.

— Nate S.