Chiarimento su regolatore step down

[DaveDiamond]

Ciao a tutti,

apro questa discussione per porre una domanda di carattere tecnico, siccome vorrei comprendere come funziona (nella fattispecie a livello di rendimento) un regolatore switching di tipo step down.

Prendiamo ad esempio questo:
http://www.dx.com/p/20083-adjustable-power-supply-voltage-regulating-reducing-module-blue-black-255394 Che si basa su questo circuito integrato: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf

Leggo che la tensione in ingresso deve essere maggiore di almeno 1,5 volt rispetto a quella in uscita (quindi per ottenere ad esempio 5 volt in uscita, bisogna fornire almeno 6,5 volt in ingresso).
Quello che non mi è chiaro è come venga considerato buono o meno il rendimento di riduzione della tensione e da che cosa è determinato.

Fatemi fare un esempio pratico: in ingresso al regolatore fornisco 30 volt ottenuti da un pacco batterie, per ottenere 10 volt in uscita, oppure fornisco 30 volt in ingresso per ottenerne 20 in uscita. Da quello che mi viende da pensare, è che se da 30 volt in ingresso ottengo 10 volt in uscita, avrò un rendimento inferiore rispetto all'ottenere 20 volt in uscita, giusto? Mi viene da pensare che se riduco una tensione da 30 volt a 10 volt c'è il rischio di mettere sotto stress le batterie e che il regolatore scalderà di più, quindi parte dell'energia verrà dispersa in calore; una maggiore riduzione di tensione mi fa quindi pensare ad una perdita di rendimento (da 30 volt a 10 volt "spreco" 20 volt, mentre da 30 volt a 20 volt ne "spreco" solo 10; quindi in quest'ultimo caso avrò un rendimento maggiore, anche sul consumo e sulla vita delle batterie? Inoltre se riduco i 30 volt a 10 volt, il regolatore scalderà di più.)

Potete spiegarmi la questione del rendimento, i vantaggi e gli svantaggi con gli esempi che ho riportato?
Perdonatemi nel caso un cui abbia detto o pensato delle sciocchezze, ma purtroppo non sono esperto!

Grazie.

[claudiocedrone]

Direi che per il rendimento non devi considerare le tensioni ma le potenze; il rendimento è dato dal rapporto tra la potenza assorbita e quella erogata.

[paolo a m]

Corretto ragionare in termini di rapporto di potenza, ma ... il rapporto va invertito

[DaveDiamond]

Certo, claudiocedrone: mi hai fatto notare una considerazione imprescindibile

Potreste (considerando la mia ignoranza nella materia) farmi degli esempi pratici?
Cosa intendi, paolo a m, con "il rapporto va invertito"?

Facendo una ricerca sul regolatore step down riportato nel link ho letto che invece, contrariamente a quanto immaginavo io, ha una rendita migliore quando una tensione viene ridotta di una percentuale maggiore.

[claudiocedrone]

rendimento=rapporto tra potenza erogata e potenza assorbita.

[DaveDiamond]

Certo: sapevo che il rendimento è il rapporto tra potenza erogata e potenza assorbita; mi chiedevo come si applicasse e come funzionasse, praticamente, ai regolatori switching step down

Ad esempio so che i regolatori di tensione lineari hanno un rendimento peggiore poiché scaldano molto.
Ma un regolatore switching? Poniamo il caso che io abbia due apparecchi, uno alimentabile a 10 volt ed uno a 20 volt; entrambi hanno un assorbimento nominale di 200 mA. Partendo dai 30 volt disponibili di un pacco batterie, in quale caso ho un rendimento migliore o peggiore? Riducendo i 30 volt a 20 o riducendo i 30 volt a 10?

[IsidoroKZ]

Non ci sono differenze importanti fra i due casi, e dipende comunque da come e` fatto lo switching.

Se devi erogare 200mA a 10V e parti da 30V e usi un regolatore lineare consumi sempre 200mA (o poco piiu`) a 30V e puoi fare facilmente il conto: erogi 2W, cosumi 6W, rendimento del 33%. Se esci a 20V le cose vanno meglio: consumi sempre 200mA dalle batterie, ma dei 6W che prelevi, 4W vanno sul carico, quindi rendimento 67%.

Con gli switching le cose sono diverse: se erogi 10V partendo da 30V stai dividendo la tensione per 3. Lo stesso rapporto si applica anche alla corrente assorbita dalla batteria rispetto a quella erogata: eroghi 200mA, la corrente assorbita dalla batteria e` 200mA/3=67mA

Se invece la tensione di uscita e` di 20V, il rapporto di riduzione e` 1.5 (oppure il "guadagno" e` di 2/3=0.67)
In questo caso il carico preleva 200mA (a 20V) e il convertitore assorbe dalla batteria 200mA/1.5=133mA.

Il rendimento rimane praticamente costante e molto vicino al 100%. Il "molto" dipende da come e` fatto il convertitore, di solito e` sopra il 90%.

[DaveDiamond]

Con gli switching le cose sono diverse: se erogi 10V partendo da 30V stai dividendo la tensione per 3. Lo stesso rapporto si applica anche alla corrente assorbita dalla batteria rispetto a quella erogata: eroghi 200mA, la corrente assorbita dalla batteria e` 200mA/3=67mA

Se invece la tensione di uscita e` di 20V, il rapporto di riduzione e` 1.5 (oppure il "guadagno" e` di 2/3=0.67)
In questo caso il carico preleva 200mA (a 20V) e il convertitore assorbe dalla batteria 200mA/1.5=133mA.

Prima di tutto: grazie! Sei stato molto chiarissimo ed esaustivo! Volevo inoltre votare la tua risposta ma ancora, siccome non ho il punteggio minimo di "reputation", non mi è consentito farlo; spero che conti comunque l'intento

Quindi, all'atto pratico (in questo esempio): se da 30 volt ottengo 10 volt, nonostante la riduzione maggiore, avrò un consumo minore delle batterie; d'altro canto se invece da 30 volt ottengo 20 volt (e avrò una riduzione minore) invece avrò un consumo maggiore delle batterie: 67mA contro 133mA.

Era questo, allora, quel che intendeva paolo a m con "il rapporto va invertito"?

Grazie ancora!

[IsidoroKZ]

No, il rapporto invertito si riferiva al fatto che nella definizione di rendimento era stato detto potenza di ingresso diviso potenza di uscita, mentre e` uscita diviso ingresso.

Con gli switching, di qualunque tipo, non sono gli step down, la potenza di ingresso e` praticamente uguale a quella di uscita, piu` un pochetto. Nel caso di uscita 10V 200mA eroghi 2W, nel caso di 20V 200mA eroghi 4W e lo switching assorbe per avere quella potenza (sempre piu` un pochetto per le inevitabili perdite).

Nota che quando le batterie si scaricano e i 30V scendono, la tensione di uscita rimane la stessa, la potenza di uscita anche e quindi anche la potenza di ingresso rimane la stessa. Pero` se le batterie si scaricano, c'e` meno tensione e quindi lo switching consuma piu` corrente, perche' il prodotto Vin x Iin =Pin deve rimanere costante.

[DaveDiamond]

Perfetto, IsidoroKZ: ora mi è tutto molto più chiaro!