Załóżmy, że zasilanie się wyłączy, a wszystko, co masz pod ręką, to akumulator samochodowy 12 V. Czy możesz go użyć do zasilania lodówki, aby jedzenie się nie zepsuło? Niestety odpowiedź brzmi nie, ponieważ brakuje Ci czegoś ważnego, a nie mówimy tylko o gnieździe na wtyczkę. Potrzebujesz urządzenia, które zamieni prąd stały z akumulatora na prąd zmienny, który może obsługiwać kompresor lodówki.
Ten konwerter DC na AC nazywa się an falownik. Przekształcenie prądu przemiennego na stały jest dość łatwe – wystarczy, że podasz prąd przez diodę, która przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku. Konwersja z DC na AC jest bardziej skomplikowana, ponieważ potrzebujesz pewnego rodzaju oscylatora, który odwraca kierunek prądu z potrzebną częstotliwością. Można to zrobić mechanicznie, ale większość falowników opiera się na rezystorach, kondensatorach, tranzystorach i innych urządzeniach obwodów.
Falownik potrzebuje jeszcze jednej rzeczy: sposobu na zmianę napięcia źródła prądu do użytku przez urządzenie, które będzie korzystało z mocy. Innymi słowy, potrzebuje
Jakie są prądy AC i DC?
Większość ludzi dowiaduje się o prądzie stałym podczas wprowadzania do elektryczności, a najlepszym sposobem na jego wizualizację jest myślenie o baterii. Jeśli połączysz zaciski akumulatora przewodem przewodzącym, elektrony przepłyną od ujemnego do dodatniego, podobnie jak mrówki podążające za sobą podczas żerowania.
Jeśli umieścisz ładunek, taki jak światło w obwodzie, elektrony przepływają przez ładunek i pracują w drodze do dodatniego zacisku. W przypadku żarówki praca polega na podgrzaniu żarnika, aby się żarzył.
Zamiast płynąć w jednym kierunku, prąd przemienny zmienia kierunek wiele razy na sekundę, a to ze względu na sposób, w jaki jest generowany. Wykorzystując indukcję elektromagnetyczną, zjawisko polegające na tym, że zmieniające się pole magnetyczne wytwarza prąd elektryczny prąd w przewodzie przewodzącym, prądnica prądu przemiennego wytwarza prąd z wirującym wirnikiem i cewką przewodzącą drut. W jednej wersji wirnik jest magnesem trwałym i podczas wirowania generuje prąd w cewce, który zmienia kierunek z każdą połową obrotu wirnika.
Prąd przemienny nie przepływa przez przewód w taki sam sposób, jak prąd stały. Najlepiej myśleć o tym tak, jakby elektrony w drucie wibrowały w miejscu. Podczas pierwszej połowy wirowania wirnika elektrony poruszają się w jednym kierunku, a podczas drugiej połowy wirowania poruszają się w drugą stronę.
Jeśli wykreślisz ruch pojedynczego elektronu w funkcji czasu, wygeneruje on przebieg znany jako fala sinusoidalna. Częstotliwość fali zależy od prędkości obrotowej wirnika generatora.
Prosty mechaniczny konwerter prądu stałego na prąd przemienny
Urządzenie, które może zmienić prąd stały na prąd przemienny, musi być w stanie wyłączyć prąd płynący w jednym kierunku i przesłać go w drugą stronę, a następnie odwrócić proces w regularnych odstępach czasu. Sposobem na to byłoby umieszczenie obracającego się koła między parą zacisków i ułożenie styków tak, aby koło zmieniało połączenia akumulatora przy każdym obrocie. Prąd płynąłby w jednym kierunku, gdy koło znajdowało się w punkcie początkowym, iw przeciwnym kierunku, gdy koło obróciło się o 180 stopni.
Tak prymitywna konfiguracja wytworzyłaby prąd typu „wszystko albo nic” w każdym kierunku, a jeśli wykreślisz na wykresie ruch elektronu w obwodzie, uzyskasz tak zwaną falę prostokątną. To nie byłby dobry falownik do domu. Prąd mógłby wykonywać proste zadania, takie jak rozżarzanie elementu grzejnego, ale nie zadziałałby w przypadku czułego sprzętu elektronicznego. Co więcej, potrzebujesz dokładnego sposobu kontrolowania obrotu koła, aby uzyskana moc prądu przemiennego była użyteczna.
Falowniki wykorzystują elementy obwodu do zmiany kierunku prądu
Zamiast obracających się kół, komercyjne falowniki wykorzystują elementy obwodów, takie jak kondensatory, rezystory i tranzystory. Wspólny schemat falownika DC na AC pokazuje równoległe obwody z tranzystorami połączonymi szeregowo z rezystorami i obwodami skrośnymi z kondensatorami i tranzystorami mocy, lub MOSFETs (tranzystory polowe z tlenku metalu i półprzewodnika). Inny typ zatrudnia Oscylator mostkowy Wien, który jest zbudowany z rezystorów i kondensatorów.
Oba falowniki opisane powyżej są falownik czystej fali sinusoidalnej (PSW)s, a generowany przez nie sygnał może być wykorzystywany przez wszystkie urządzenia elektroniczne. Jeśli szukasz falownika do domu, potrzebujesz falownika PSW, ponieważ będzie on współpracował z elementami elektronicznymi w Twojej kuchence, suszarce, pralce i innych urządzeniach.
Innym typem konwertera DC na AC jest zmodyfikowany falownik sinusoidalny (MSW). Wykorzystuje tańsze elementy, takie jak diody i tyrystory, które są podobne do tranzystorów. Sygnał z falownika MSW jest jak fala prostokątna z lekko zaokrąglonymi rogami i choć może zasilać duże urządzenia, nie nadaje się do urządzeń elektronicznych. Byłby to najlepszy falownik do samochodu, udostępniający akumulator do elektronarzędzi i sprzętu do naprawy samochodów.
Jeszcze jedno: transformator Transform
Nawet jeśli przekonwertujesz sygnał ze źródła prądu stałego, takiego jak bateria lub panel słoneczny, na prąd przemienny, napięcie nie będzie wystarczająco duże, aby zasilić urządzenie 120 V. Na szczęście łatwo jest zwiększyć napięcie AC. Wszystko czego potrzebujesz to transformator, który również działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej.
Obsługa transformatora jest prosta. Dwie cewki przewodzące są umieszczone obok siebie – lub jedna w drugiej – a prąd przepływający przez jedną cewkę, zwaną cewką pierwotną, indukuje prąd w drugiej, która jest cewką wtórną. Stosunek prądów w dwóch cewkach oraz ich napięć zależy od różnicy liczby zwojów w cewkach.
Jeśli cewka wtórna ma więcej zwojów niż pierwsza, transformator zwiększy napięcie o ilość równa liczbie zwojów uzwojenia wtórnego podzielonej przez liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego cewka.
Możesz zaprojektować falownik, który będzie dostarczał dowolne napięcie, ale jeśli potrzebujesz konwertera DC na AC, który zmieni twoje 12 V akumulator samochodowy do źródła zasilania 120 V dla twojego domu, musisz ustawić stosunek między pierwotnym i wtórnym 1 do 10. Komercyjne transformatory inwerterowe mają setki zwojów, a przewody wytwarzają ciepło oporowe, więc falownik potrzebuje żeberek – i ewentualnie wentylatora – aby utrzymać chłód. Co więcej, cewki są czasami owinięte wokół stałego rdzenia, aby uzyskać bardziej efektywną indukcję, co może spowodować, że falownik będzie bardzo ciężki.