Supponiamo che la corrente si spenga e che tutto ciò che hai a portata di mano sia una batteria per auto da 12 V. Puoi usarlo per alimentare il tuo frigorifero in modo che il cibo non vada a male? Purtroppo la risposta è no, perché ti manca qualcosa di importante, e non stiamo parlando solo di una presa per la spina. È necessario un dispositivo che converta l'alimentazione CC dalla batteria in alimentazione CA in grado di azionare il compressore del frigorifero.
Questo convertitore da CC a CA è chiamato an inverter. È abbastanza facile convertire la corrente CA in CC: tutto ciò che devi fare è alimentare la corrente attraverso un diodo, che fa passare la corrente solo in una direzione. La conversione da CC a CA è più complicata, perché è necessario un qualche tipo di oscillatore che inverta la direzione della corrente alla frequenza necessaria. C'è un modo per farlo meccanicamente, ma la maggior parte degli inverter si basa su resistori, condensatori, transistor e altri dispositivi circuitali.
Un inverter ha bisogno di un'altra cosa: un modo per modificare la tensione della sorgente di corrente per l'utilizzo da parte del dispositivo che utilizzerà l'alimentazione. In altre parole, ha bisogno di un trasformatore. Ad esempio, se stai alimentando il tuo frigorifero da 120 V con una batteria da 12 V, l'inverter necessita di un trasformatore elevatore che aumenti la tensione di 10 volte. Poiché funziona solo con corrente alternata, il trasformatore entra nel circuito dopo i componenti che alterano la corrente da CC a CA.
Cosa sono le correnti AC e DC?
La maggior parte delle persone impara a conoscere la corrente continua nella loro introduzione all'elettricità e il modo migliore per visualizzarla è pensare a una batteria. Se colleghi i terminali della batteria con un filo conduttore, gli elettroni fluiscono dal terminale negativo a quello positivo, proprio come le formiche che si susseguono mentre si nutrono.
Se metti un carico come una luce nel circuito, gli elettroni fluiscono attraverso il carico e funzionano verso il terminale positivo. Nel caso di una lampadina, il lavoro consiste nel riscaldare il filamento in modo che si illumini.
Invece di fluire in un'unica direzione, la corrente CA inverte la direzione molte volte al secondo, e ciò è dovuto al modo in cui viene generata. Facendo uso di induzione elettromagnetica, un fenomeno per cui un campo magnetico variabile produce un elettrico corrente in un filo conduttore, un generatore di corrente alternata produce elettricità con un rotore rotante e una bobina di conduzione filo. In una versione, il rotore è un magnete permanente e, mentre gira, genera una corrente nella bobina che cambia direzione ad ogni mezzo giro del rotore.
La corrente alternata non si muove attraverso il filo allo stesso modo della corrente continua. Il modo migliore per pensarlo è come se gli elettroni nel filo stessero vibrando sul posto. Durante la prima metà di rotazione del rotore, gli elettroni si muovono in una direzione e durante la seconda metà di rotazione, si muovono nell'altra direzione.
Se tracci il movimento di un singolo elettrone rispetto al tempo, genererà una forma d'onda nota come onda sinusoidale. La frequenza dell'onda è governata dalla velocità di rotazione del rotore del generatore.
Un semplice convertitore meccanico da CC a CA
Un dispositivo in grado di cambiare la corrente da CC a CA deve essere in grado di spegnere la corrente che va in una direzione e inviarla nell'altro, quindi invertire il processo a intervalli regolari. Un modo per farlo sarebbe posizionare una ruota rotante tra una coppia di terminali e disporre i contatti in modo che la ruota alternasse i collegamenti della batteria ad ogni giro. La corrente scorrerebbe in una direzione quando la ruota era al punto di partenza e nella direzione opposta quando la ruota aveva ruotato di 180 gradi.
Una configurazione così rozza produrrebbe una corrente tutto o niente in ciascuna direzione, e se si rappresentasse graficamente il movimento di un elettrone nel circuito, si otterrebbe quella che è nota come onda quadra. Questo non sarebbe un buon inverter di potenza per la casa. La corrente potrebbe essere in grado di svolgere compiti semplici, come far brillare un elemento riscaldante, ma non funzionerebbe per apparecchiature elettroniche sensibili. Inoltre, avresti bisogno di un modo accurato per controllare la rotazione della ruota per rendere utile l'alimentazione CA risultante.
Gli inverter utilizzano i componenti del circuito per cambiare la direzione della corrente
Invece di ruote girevoli, gli inverter commerciali utilizzano componenti di circuiti come condensatori, resistori e transistor. Uno schema comune di inverter da CC a CA mostra circuiti paralleli con transistor in serie con resistori e circuiti incrociati con condensatori e transistor di potenza, o MOSFETs (transistor ad effetto di campo a semiconduttore in ossido di metallo). Un altro tipo impiega a Oscillatore a ponte di Vienna, che è costruito con resistori e condensatori.
Entrambi gli inverter sopra descritti sono inverter a onda sinusoidale pura (PSW)s, e il segnale che generano può essere utilizzato da tutti i dispositivi elettronici. Se stai cercando un inverter per la casa, hai bisogno di un inverter PSW, perché funzionerà con i componenti elettronici della tua stufa, asciugatrice, lavatrice e altri elettrodomestici.
L'altro tipo di convertitore da CC a CA è un inverter a onda sinusoidale modificata (MSW). Impiega componenti più economici, come diodi e tiristori, che sono simili ai transistor. Il segnale di un inverter MSW è come un'onda quadra con gli angoli leggermente arrotondati e, sebbene possa alimentare grandi elettrodomestici, non è adatto per apparecchiature elettroniche. Sarebbe il miglior inverter di potenza per un'auto, rendendo disponibile la batteria per elettroutensili e attrezzature per la riparazione dell'auto.
Un'altra cosa: il trasformatore
Anche se converti il segnale da una fonte di alimentazione CC, come una batteria o un pannello solare, in CA, la tensione non sarà abbastanza grande per alimentare un apparecchio da 120 V. Fortunatamente, è facile aumentare la tensione CA. Tutto ciò di cui hai bisogno è un trasformatore, che funziona anche sul principio dell'induzione elettromagnetica.
Il funzionamento di un trasformatore è semplice. Due bobine conduttrici sono affiancate – o una dentro l'altra – e la corrente che passa attraverso una bobina, chiamata bobina primaria, induce una corrente nell'altra, che è la bobina secondaria. Il rapporto tra le correnti nelle due bobine e le loro tensioni è governato dalla differenza nel numero di spire nelle bobine.
Se la bobina secondaria ha più spire della prima, il trasformatore aumenterà la tensione di un quantità pari al numero di spire del secondario diviso per il numero di spire del primario bobina.
Puoi progettare un inverter per fornire qualsiasi tensione tu voglia, ma se vuoi un convertitore da CC a CA che trasformerà il tuo 12 V batteria dell'auto in una fonte di alimentazione da 120 V per la tua casa, devi fare il rapporto tra primario e secondario 1 a 10. I trasformatori inverter commerciali hanno centinaia di spire e i fili generano calore resistivo, quindi l'inverter ha bisogno di alette - e possibilmente di una ventola - per mantenersi fresco. Inoltre, le bobine a volte sono avvolte attorno a un nucleo solido per rendere l'induzione più efficace e ciò può rendere l'inverter molto pesante.