Stel dat de stroom uitvalt en u alleen een 12 V-autoaccu bij de hand heeft. Kun je het gebruiken om je koelkast van stroom te voorzien, zodat het eten niet bederft? Helaas is het antwoord nee, want je mist iets belangrijks, en we hebben het niet alleen over een stopcontact voor de stekker. U hebt een apparaat nodig dat de gelijkstroom van de batterij omzet in wisselstroom waarmee de compressor van de koelkast kan worden bediend.
Deze DC-naar-AC-converter wordt een omvormer. Het is vrij eenvoudig om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom - het enige wat u hoeft te doen is de stroom door een diode te voeren, die slechts in één richting stroom doorlaat. Het converteren van DC naar AC is ingewikkelder, omdat je een soort oscillator nodig hebt die de stroomrichting omkeert op de frequentie die je nodig hebt. Er is een manier om dit mechanisch te doen, maar de meeste omvormers vertrouwen op weerstanden, condensatoren, transistors en andere circuitapparaten.
Een omvormer heeft nog iets nodig: een manier om de spanning van de stroombron te wijzigen voor gebruik door het apparaat dat de stroom gaat gebruiken. Met andere woorden, het heeft een
transformator. Als u bijvoorbeeld uw 120 V-koelkast voedt met een 12 V-batterij, heeft de omvormer een step-up transformator nodig die de spanning met 10 keer verhoogt. Omdat het alleen met wisselstroom werkt, gaat de transformator in het circuit achter de componenten aan die de stroom van gelijkstroom naar wisselstroom veranderen.Wat zijn wissel- en gelijkstroom?
De meeste mensen leren over gelijkstroom in hun inleiding tot elektriciteit, en de beste manier om dit te visualiseren is door aan een batterij te denken. Als je de accupolen verbindt met geleidende draad, stromen elektronen van de negatieve pool naar de positieve, net zoals mieren die elkaar volgen terwijl ze foerageren.
Als je een belasting zoals een lampje in de schakeling plaatst, stromen de elektronen door de belasting en werken wel op weg naar de pluspool. In het geval van een gloeilamp is het werk om de gloeidraad te verwarmen zodat deze gaat gloeien.
In plaats van in één richting te stromen, keert wisselstroom vele malen per seconde van richting om, en dat komt door de manier waarop het wordt gegenereerd. Gebruik makend van elektromagnetische inductie, een fenomeen waarbij een veranderend magnetisch veld een elektrisch stroom in een geleidende draad, een AC-generator maakt elektriciteit met een draaiende rotor en een geleidende spoel draad. In één versie is de rotor een permanente magneet en terwijl deze draait, genereert deze een stroom in de spoel die van richting verandert bij elke halve draai van de rotor.
Wisselstroom beweegt niet op dezelfde manier door de draad als gelijkstroom. De beste manier om erover na te denken is alsof de elektronen in de draad op hun plaats trillen. Tijdens de eerste halve rotatie van de rotor bewegen elektronen in de ene richting, en tijdens de tweede halve rotatie de andere kant op.
Als u de beweging van een enkel elektron uitzet tegen de tijd, genereert het een golfvorm die bekend staat als een sinusgolf. De frequentie van de golf wordt bepaald door de rotatiesnelheid van de generatorrotor.
Een eenvoudige mechanische gelijkstroom-naar-wisselstroom-omzetter
Een apparaat dat gelijkstroom naar wisselstroom kan veranderen, moet in staat zijn om de stroom in de ene richting uit te schakelen en de andere kant op te sturen, en vervolgens het proces met regelmatige tussenpozen om te keren. Een manier om dit te doen is door een roterend wiel tussen een paar polen te plaatsen en de contacten zo te plaatsen dat het wiel de batterijaansluitingen bij elke draai afwisselt. De stroom zou in de ene richting vloeien wanneer het wiel op zijn startpunt was en in de tegenovergestelde richting wanneer het wiel 180 graden was gedraaid.
Zo'n ruwe opstelling zou een alles-of-niets-stroom in elke richting produceren, en als je de beweging van een elektron in het circuit zou tekenen, zou je een zogenaamde blokgolf krijgen. Dit zou geen goede omvormer voor thuis zijn. De stroom kan misschien eenvoudige taken uitvoeren, zoals een verwarmingselement laten gloeien, maar het zou niet werken voor gevoelige elektronische apparatuur. Bovendien hebt u een nauwkeurige manier nodig om de rotatie van het wiel te regelen om de resulterende wisselstroom nuttig te maken.
Omvormers gebruiken circuitcomponenten om de stroomrichting te veranderen
In plaats van draaiende wielen maken commerciële omvormers gebruik van circuitcomponenten zoals condensatoren, weerstanden en transistors. Een algemeen DC naar AC-omvormerschema toont parallelle circuits met transistors in serie met weerstanden en kruiscircuits met condensatoren en vermogenstransistoren, of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). Een ander type maakt gebruik van een Wien-brugoscillator, die is opgebouwd uit weerstanden en condensatoren.
Beide hierboven beschreven omvormers zijn: zuivere sinusgolf (PSW) omvormers, en het signaal dat ze genereren kan door alle elektronische apparaten worden gebruikt. Als u op zoek bent naar een omvormer voor thuis, heeft u een PSW-omvormer nodig, omdat deze werkt met de elektronische componenten in uw fornuis, droger, wasmachine en andere apparaten.
Het andere type DC-naar-AC-converter is een gemodificeerde sinusgolf (MSW) omvormer. Het maakt gebruik van goedkopere componenten, zoals diodes en thyristors, die vergelijkbaar zijn met transistors. Het signaal van een MSW-omvormer is als een blokgolf met licht afgeronde hoeken, en hoewel het grote apparaten van stroom kan voorzien, is het niet geschikt voor elektronische apparatuur. Het zou de beste omvormer voor een auto zijn, waardoor de batterij beschikbaar is voor elektrisch gereedschap en autoreparatieapparatuur.
Nog één ding: de transformator
Zelfs als je het signaal van een gelijkstroombron, zoals een batterij of zonnepaneel, omzet naar wisselstroom, zal de spanning niet groot genoeg zijn om een 120 V-apparaat van stroom te voorzien. Gelukkig is het eenvoudig om de wisselspanning te verhogen. Alles wat je nodig hebt is een transformator, die ook werkt volgens het principe van elektromagnetische inductie.
De bediening van een transformator is eenvoudig. Twee geleidende spoelen worden naast elkaar geplaatst - of de ene in de andere - en de stroom die door de ene spoel gaat, de primaire spoel genoemd, induceert een stroom in de andere, de secundaire spoel. De verhouding van de stromen in de twee spoelen en hun spanningen wordt bepaald door het verschil in het aantal windingen in de spoelen.
Als de secundaire spoel meer windingen heeft dan de eerste, verhoogt de transformator de spanning met een hoeveelheid gelijk aan het aantal windingen in de secundaire spoel gedeeld door het aantal windingen in de primaire spoel.
U kunt een omvormer ontwerpen om elke gewenste spanning te leveren, maar als u een DC-naar-AC-converter wilt die uw 12 V auto-accu in een 120 V-voedingsbron voor uw huis, moet u de verhouding tussen de primaire en secundaire 1 tot. maken 10. Commerciële omvormertransformatoren hebben honderden windingen en de draden genereren weerstandswarmte, dus de omvormer heeft vinnen - en mogelijk een ventilator - nodig om koel te blijven. Bovendien worden de spoelen soms om een vaste kern gewikkeld om inductie effectiever te maken, en dat kan de omvormer erg zwaar maken.
