Supposons que le courant soit coupé et que tout ce que vous ayez sous la main soit une batterie de voiture de 12 V. Pouvez-vous l'utiliser pour alimenter votre réfrigérateur afin que la nourriture ne se détériore pas? Malheureusement, la réponse est non, car il vous manque quelque chose d'important, et nous ne parlons pas seulement d'un réceptacle pour la prise. Vous avez besoin d'un appareil qui convertira le courant continu de la batterie en courant alternatif pouvant faire fonctionner le compresseur du réfrigérateur.
Ce convertisseur DC-AC est appelé un onduleur. Il est assez facile de convertir le courant alternatif en courant continu - tout ce que vous avez à faire est de faire passer le courant à travers une diode, qui ne fait passer le courant que dans un sens. La conversion du courant continu en courant alternatif est plus compliquée, car vous avez besoin d'une sorte d'oscillateur qui inverse le sens du courant à la fréquence dont vous avez besoin. Il existe un moyen de le faire mécaniquement, mais la plupart des onduleurs reposent sur des résistances, des condensateurs, des transistors et d'autres dispositifs de circuit.
Un onduleur a encore besoin d'une chose: un moyen de modifier la tension de la source de courant pour une utilisation par l'appareil qui utilisera l'énergie. En d'autres termes, il faut un transformateur. Par exemple, si vous alimentez votre réfrigérateur 120 V avec une batterie 12 V, l'onduleur a besoin d'un transformateur élévateur qui augmente la tension de 10 fois. Comme il ne fonctionne qu'avec du courant alternatif, le transformateur passe dans le circuit après les composants qui modifient le courant du courant continu au courant alternatif.
Que sont les courants AC et DC ?
La plupart des gens apprennent le courant continu lors de leur introduction à l'électricité, et la meilleure façon de le visualiser est de penser à une batterie. Si vous connectez les bornes de la batterie avec un fil conducteur, les électrons circulent de la borne négative à la borne positive, un peu comme des fourmis qui se suivent lorsqu'elles se nourrissent.
Si vous placez une charge telle qu'une lumière dans le circuit, les électrons traversent la charge et se dirigent vers la borne positive. Dans le cas d'une ampoule, le travail consiste à chauffer le filament pour qu'il brille.
Au lieu de circuler dans une seule direction, le courant alternatif change de direction plusieurs fois par seconde, et cela est dû à la façon dont il est généré. L'utilisation de l'induction électromagnétique, un phénomène par lequel un champ magnétique changeant produit un courant dans un fil conducteur, un générateur de courant alternatif produit de l'électricité avec un rotor en rotation et une bobine de conducteur fil. Dans une version, le rotor est un aimant permanent et, lorsqu'il tourne, il génère un courant dans la bobine qui change de direction à chaque demi-tour du rotor.
Le courant alternatif ne se déplace pas dans le fil de la même manière que le courant continu. La meilleure façon de penser est comme si les électrons dans le fil vibraient sur place. Au cours du premier demi-tour du rotor, les électrons se déplacent dans un sens et au cours du second demi-tour, ils se déplacent dans l'autre sens.
Si vous tracez le mouvement d'un seul électron en fonction du temps, cela générera une forme d'onde connue sous le nom d'onde sinusoïdale. La fréquence de l'onde est régie par la vitesse de rotation du rotor du générateur.
Un simple convertisseur DC/AC mécanique
Un appareil qui peut changer le courant continu en courant alternatif doit pouvoir couper le courant allant dans un sens et l'envoyer dans l'autre sens, puis inverser le processus à intervalles réguliers. Une façon de le faire serait de placer une roue rotative entre une paire de bornes et de disposer les contacts de sorte que la roue alterne les connexions de la batterie à chaque rotation. Le courant circulerait dans une direction lorsque la roue était à son point de départ et dans la direction opposée lorsque la roue avait tourné de 180 degrés.
Une configuration aussi grossière produirait un courant tout ou rien dans chaque direction, et si vous dessiniez le mouvement d'un électron dans le circuit, vous obtiendriez ce qu'on appelle une onde carrée. Ce ne serait pas un bon onduleur pour la maison. Le courant pourrait être capable d'effectuer des tâches simples, telles que faire briller un élément chauffant, mais cela ne fonctionnerait pas pour les équipements électroniques sensibles. De plus, vous auriez besoin d'un moyen précis de contrôler la rotation de la roue pour rendre le courant alternatif résultant utile.
Les onduleurs utilisent des composants de circuit pour changer la direction du courant
Plutôt que de faire tourner les roues, les onduleurs commerciaux utilisent des composants de circuit tels que des condensateurs, des résistances et des transistors. Un schéma d'onduleur courant continu à alternatif montre des circuits parallèles avec des transistors en série avec des résistances et des circuits croisés avec des condensateurs et des transistors de puissance, ou MOSFETs (Transistors à effet de champ semi-conducteurs à oxyde métallique). Un autre type emploie un Oscillateur à pont de Vienne, qui est construit avec des résistances et des condensateurs.
Les deux onduleurs décrits ci-dessus sont Onduleur à onde sinusoïdale pure (PSW)s, et le signal qu'ils génèrent peut être utilisé par tous les appareils électroniques. Si vous recherchez un onduleur pour la maison, vous avez besoin d'un onduleur PSW, car il fonctionnera avec les composants électroniques de votre cuisinière, sèche-linge, lave-linge et autres appareils.
L'autre type de convertisseur DC-AC est un onduleur à onde sinusoïdale modifiée (MSW). Il utilise des composants moins chers, tels que des diodes et des thyristors, qui sont similaires aux transistors. Le signal d'un onduleur MSW est comme une onde carrée avec ses coins légèrement arrondis, et bien qu'il puisse alimenter de gros appareils, il ne convient pas aux équipements électroniques. Ce serait le meilleur onduleur pour une voiture, rendant la batterie disponible pour les outils électriques et l'équipement de réparation automobile.
Encore une chose: le transformateur
Même si vous convertissez le signal d'une source d'alimentation CC, telle qu'une batterie ou un panneau solaire, en CA, la tension ne sera pas assez élevée pour alimenter un appareil 120 V. Heureusement, il est facile d'augmenter la tension alternative. Tout ce dont vous avez besoin est un transformateur, qui fonctionne également sur le principe de l'induction électromagnétique.
Le fonctionnement d'un transformateur est simple. Deux bobines conductrices sont placées côte à côte - ou l'une à l'intérieur de l'autre - et le courant traversant une bobine, appelée bobine primaire, induit un courant dans l'autre, qui est la bobine secondaire. Le rapport des courants dans les deux bobines ainsi que leurs tensions est régi par la différence du nombre de spires dans les bobines.
Si la bobine secondaire a plus de tours que la première, le transformateur augmentera la tension d'un quantité égale au nombre de spires de la bobine secondaire divisé par le nombre de spires de la primaire bobine.
Vous pouvez concevoir un onduleur pour fournir n'importe quelle tension, mais si vous voulez un convertisseur CC en CA qui transformera votre 12 V batterie de voiture dans une source d'alimentation 120 V pour votre maison, vous devez faire le rapport entre le primaire et le secondaire 1 à 10. Les transformateurs onduleurs commerciaux ont des centaines de tours et les fils génèrent de la chaleur résistive. L'onduleur a donc besoin d'ailettes - et éventuellement d'un ventilateur - pour rester au frais. De plus, les bobines sont parfois enroulées autour d'un noyau solide pour permettre une induction plus efficace, ce qui peut rendre l'onduleur très lourd.