Ας υποθέσουμε ότι η ισχύς σβήνει και το μόνο που έχετε στη διάθεσή σας είναι μια μπαταρία αυτοκινήτου 12 V. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε το ψυγείο σας ώστε το φαγητό να μην πάει άσχημα; Δυστυχώς, η απάντηση είναι όχι, επειδή λείπει κάτι σημαντικό και δεν μιλάμε απλώς για ένα δοχείο για το βύσμα. Χρειάζεστε μια συσκευή που θα μετατρέπει την τροφοδοσία DC από την μπαταρία σε τροφοδοσία AC που μπορεί να λειτουργήσει τον συμπιεστή του ψυγείου.
Αυτός ο μετατροπέας DC σε AC ονομάζεται αντιστροφέας. Είναι αρκετά εύκολο να μετατρέψετε το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα - το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να τροφοδοτήσετε το ρεύμα μέσω μιας διόδου, η οποία περνά το ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση. Η μετατροπή από DC σε AC είναι πιο περίπλοκη, επειδή χρειάζεστε κάποιο είδος ταλαντωτή που αντιστρέφει την τρέχουσα κατεύθυνση στη συχνότητα που χρειάζεστε. Υπάρχει ένας τρόπος να το κάνετε αυτό μηχανικά, αλλά οι περισσότεροι μετατροπείς βασίζονται σε αντιστάσεις, πυκνωτές, τρανζίστορ και άλλες συσκευές κυκλώματος.
Ένας μετατροπέας χρειάζεται ένα ακόμη πράγμα: έναν τρόπο αλλαγής της τάσης της τρέχουσας πηγής για χρήση από τη συσκευή που θα χρησιμοποιεί την ισχύ. Με άλλα λόγια, χρειάζεται ένα μετασχηματιστής. Για παράδειγμα, εάν τροφοδοτείτε το ψυγείο 120 V με μπαταρία 12 V, ο μετατροπέας χρειάζεται έναν μετασχηματιστή αύξησης που αυξάνει την τάση κατά 10 φορές. Δεδομένου ότι λειτουργεί μόνο με ρεύμα AC, ο μετασχηματιστής πηγαίνει στο κύκλωμα μετά από τα εξαρτήματα που αλλάζουν το ρεύμα από DC σε AC.
Τι είναι ρεύμα AC και DC;
Οι περισσότεροι άνθρωποι μαθαίνουν για το ρεύμα DC κατά την εισαγωγή τους στην ηλεκτρική ενέργεια, και ο καλύτερος τρόπος για να το οπτικοποιήσετε είναι να σκεφτείτε μια μπαταρία. Εάν συνδέσετε τους ακροδέκτες της μπαταρίας με καλώδιο αγωγού, τα ηλεκτρόνια ρέουν από τον αρνητικό ακροδέκτη στο θετικό, σαν τα μυρμήγκια να ακολουθούν το ένα το άλλο καθώς τρέφονται.
Εάν τοποθετήσετε ένα φορτίο όπως ένα φως στο κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του φορτίου και δουλεύουν στο δρόμο τους προς το θετικό τερματικό. Στην περίπτωση λαμπτήρα, το έργο είναι να θερμάνετε το νήμα έτσι ώστε να ανάβει.
Αντί να ρέει σε μία μόνο κατεύθυνση, το ρεύμα AC αντιστρέφει την κατεύθυνση πολλές φορές ανά δευτερόλεπτο και αυτό οφείλεται στον τρόπο δημιουργίας του. Χρησιμοποιώντας την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, ένα φαινόμενο με το οποίο ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα αγώγιμο καλώδιο, μια γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος παράγει ηλεκτρική ενέργεια με έναν περιστρεφόμενο ρότορα και ένα πηνίο αγωγού σύρμα. Σε μια έκδοση, ο ρότορας είναι ένας μόνιμος μαγνήτης και καθώς περιστρέφεται, δημιουργεί ένα ρεύμα στο πηνίο που αλλάζει κατεύθυνση με κάθε μισή περιστροφή του ρότορα.
Το ρεύμα AC δεν κινείται μέσω του καλωδίου με τον ίδιο τρόπο που το ρεύμα DC. Ο καλύτερος τρόπος να το σκεφτείτε είναι σαν τα ηλεκτρόνια στο σύρμα να δοντίζονται στη θέση τους. Κατά τη διάρκεια της πρώτης μισής περιστροφής του ρότορα, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τη μία κατεύθυνση και κατά τη διάρκεια του δεύτερου μισού περιστροφής, κινούνται με τον άλλο τρόπο.
Εάν σχεδιάσετε την κίνηση ενός μόνο ηλεκτρονίου έναντι του χρόνου, θα δημιουργήσει μια κυματομορφή γνωστή ως ημιτονοειδές κύμα. Η συχνότητα του κύματος διέπεται από την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα γεννήτριας.
Ένας απλός μηχανικός μετατροπέας DC σε AC
Μια συσκευή που μπορεί να αλλάξει ρεύμα DC σε εναλλασσόμενο ρεύμα πρέπει να είναι σε θέση να απενεργοποιήσει το ρεύμα προς τη μία κατεύθυνση και να το στείλει με τον άλλο τρόπο και στη συνέχεια να αντιστρέψει τη διαδικασία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό θα ήταν να τοποθετήσετε έναν περιστρεφόμενο τροχό μεταξύ ενός ζεύγους ακροδεκτών και να τακτοποιήσετε τις επαφές έτσι ώστε ο τροχός να εναλλάσσει τις συνδέσεις της μπαταρίας με κάθε περιστροφή. Το ρεύμα θα ρέει μία κατεύθυνση όταν ο τροχός βρισκόταν στο σημείο εκκίνησής του και στην αντίθετη κατεύθυνση όταν ο τροχός είχε περιστραφεί 180 μοίρες.
Μια τέτοια ακατέργαστη ρύθμιση θα παρήγαγε ένα ρεύμα όλα-ή-τίποτα σε κάθε κατεύθυνση, και εάν σχεδιάσατε την κίνηση ενός ηλεκτρονίου στο κύκλωμα, θα πάρετε αυτό που είναι γνωστό ως τετράγωνο κύμα. Αυτό δεν θα ήταν καλός μετατροπέας ισχύος για το σπίτι. Το ρεύμα μπορεί να είναι σε θέση να εκτελεί απλές εργασίες, όπως η λάμψη ενός θερμαντικού στοιχείου, αλλά δεν θα λειτουργούσε για ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Επιπλέον, θα χρειαστείτε έναν ακριβή τρόπο ελέγχου της περιστροφής του τροχού για να κάνετε την προκύπτουσα ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος χρήσιμη.
Οι μετατροπείς χρησιμοποιούν εξαρτήματα κυκλώματος για να αλλάξουν την τρέχουσα κατεύθυνση
Αντί των περιστρεφόμενων τροχών, οι εμπορικοί μετατροπείς χρησιμοποιούν εξαρτήματα κυκλώματος όπως πυκνωτές, αντιστάσεις και τρανζίστορ. Ένα κοινό σχηματικό σχήμα μετατροπέα DC σε AC δείχνει παράλληλα κυκλώματα με τρανζίστορ σε σειρά με αντιστάσεις και εγκάρσια κυκλώματα με πυκνωτές και τρανζίστορ ισχύος, ή MOSFETs (Κρυσταλλολυχνίες επίδρασης πεδίου ημιαγωγού μετάλλου οξειδίου). Ένας άλλος τύπος χρησιμοποιεί ένα Ταλαντωτής γέφυρας Wien, το οποίο είναι κατασκευασμένο με αντιστάσεις και πυκνωτές.
Και οι δύο μετατροπείς που περιγράφονται παραπάνω είναι μετατροπέας καθαρού ημιτονοειδούς κύματος (PSW)s, και το σήμα που παράγουν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές. Εάν ψάχνετε έναν μετατροπέα ισχύος για το σπίτι, χρειάζεστε έναν μετατροπέα PSW, επειδή θα λειτουργεί με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα στη σόμπα, το στεγνωτήριο, το πλυντήριο και άλλες συσκευές.
Ο άλλος τύπος μετατροπέα DC σε AC είναι α τροποποιημένος μετατροπέας ημιτονοειδούς κύματος (MSW). Χρησιμοποιεί φθηνότερα εξαρτήματα, όπως διόδους και θυρίστορ, τα οποία είναι παρόμοια με τα τρανζίστορ. Το σήμα από έναν μετατροπέα MSW είναι σαν ένα τετράγωνο κύμα με τις γωνίες του ελαφρώς στρογγυλεμένες και ενώ μπορεί να τροφοδοτήσει μεγάλες συσκευές, δεν είναι κατάλληλο για ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Θα ήταν ο καλύτερος μετατροπέας ισχύος για ένα αυτοκίνητο, καθιστώντας τη μπαταρία διαθέσιμη για ηλεκτρικά εργαλεία και εξοπλισμό επισκευής αυτοκινήτων.
Ένα ακόμη πράγμα: ο μετασχηματιστής
Ακόμα και αν μετατρέψετε το σήμα από πηγή τροφοδοσίας DC, όπως μπαταρία ή ηλιακό πάνελ, σε AC, η τάση δεν θα είναι αρκετά μεγάλη για να τροφοδοτήσει μια συσκευή 120 V. Ευτυχώς, είναι εύκολο να αυξήσετε την τάση AC. Το μόνο που χρειάζεστε είναι ένα μετασχηματιστής, η οποία λειτουργεί επίσης με την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Η λειτουργία ενός μετασχηματιστή είναι απλή. Δύο αγώγιμα πηνία τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο - ή το ένα μέσα στο άλλο - και το ρεύμα που διέρχεται από ένα πηνίο, που ονομάζεται πρωτεύον πηνίο, προκαλεί ένα ρεύμα στο άλλο, το οποίο είναι το δευτερεύον πηνίο. Η αναλογία των ρευμάτων στα δύο πηνία καθώς και οι τάσεις τους διέπεται από τη διαφορά στον αριθμό των στροφών στα πηνία.
Εάν το δευτερεύον πηνίο έχει περισσότερες στροφές από το πρώτο, ο μετασχηματιστής θα αυξήσει την τάση κατά ποσό ίσο με τον αριθμό στροφών στο δευτερεύον πηνίο διαιρούμενο με τον αριθμό στροφών στο πρωτεύον σπείρα.
Μπορείτε να σχεδιάσετε έναν μετατροπέα για να τροφοδοτήσετε οποιαδήποτε τάση θέλετε, αλλά εάν θέλετε έναν μετατροπέα DC σε AC που θα γυρίσει τα 12 V σας μπαταρία αυτοκινήτου σε πηγή ισχύος 120 V για το σπίτι σας, πρέπει να κάνετε την αναλογία μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος 1 έως 10. Οι εμπορικοί μετασχηματιστές αναστροφέων έχουν εκατοντάδες στροφές και τα καλώδια παράγουν θερμική αντίσταση, οπότε ο μετατροπέας χρειάζεται πτερύγια - και πιθανώς ανεμιστήρα - για να διατηρηθεί δροσερός. Επιπλέον, μερικές φορές τα πηνία τυλίγονται γύρω από έναν συμπαγή πυρήνα για πιο αποτελεσματική επαγωγή και αυτό μπορεί να κάνει τον μετατροπέα πολύ βαρύ.