Anta att strömmen går och allt du har till hands är ett 12 V bilbatteri. Kan du använda den för att driva ditt kylskåp så att maten inte blir dålig? Tyvärr är svaret nej, eftersom du saknar något viktigt, och vi pratar inte bara om ett uttag för kontakten. Du behöver en enhet som omvandlar likströmmen från batteriet till växelström som kan styra kylskåpets kompressor.
Denna DC till AC-omvandlare kallas en växelriktare. Det är ganska enkelt att konvertera växelström till likström - allt du behöver göra är att mata strömmen genom en diod, som bara passerar ström i en riktning. Att konvertera från DC till AC är mer komplicerat, eftersom du behöver någon form av oscillator som vänder den aktuella riktningen vid den frekvens du behöver. Det finns ett sätt att göra detta mekaniskt, men de flesta växelriktare är beroende av motstånd, kondensatorer, transistorer och andra kretsenheter.
En växelriktare behöver ytterligare en sak: ett sätt att ändra strömkällans spänning för användning av enheten som kommer att använda strömmen. Med andra ord behöver den en
transformator. Om du till exempel försörjer ditt 120 V-kylskåp med ett 12 V-batteri behöver växelriktaren en förstärkt transformator som ökar spänningen med 10 gånger. Eftersom den bara fungerar med växelström går transformatorn i kretsen efter komponenterna som ändrar strömmen från likström till växelström.Vad är växelström och likström?
De flesta lär sig om likström i sin introduktion till el, och det bästa sättet att visualisera det är att tänka på ett batteri. Om du ansluter batteripolerna med ledningstråd, flyter elektroner från den negativa polen till den positiva, ungefär som myror som följer varandra när de foder.
Om du placerar en belastning som ett ljus i kretsen strömmar elektronerna genom lasten och arbetar på väg till den positiva terminalen. När det gäller en glödlampa är arbetet att värma glödtråden så att den lyser.
I stället för att flyta i en enda riktning, växlar växelström riktningen många gånger per sekund, och det beror på hur det genereras. Använda elektromagnetisk induktion, ett fenomen där ett föränderligt magnetfält producerar ett elektriskt ström i en ledningstråd, gör en växelströmsgenerator elektricitet med en roterande rotor och en ledningsspole tråd. I en version är rotorn en permanentmagnet, och när den snurrar genererar den en ström i spolen som ändrar riktning för varje halva rotering av rotorn.
Växelström rör sig inte genom kabeln på samma sätt som likström gör. Det bästa sättet att tänka på det är som om elektronerna i tråden vibrerar på plats. Under rotorns första halvsnurrning rör sig elektronerna i en riktning, och under andra halvdelen snurrar de åt andra hållet.
Om du plottar rörelsen för en enskild elektron mot tid, kommer den att generera en vågform som kallas en sinusvåg. Frekvensen för vågen styrs av generatorrotorns rotationshastighet.
En enkel mekanisk DC till AC-omvandlare
En enhet som kan ändra likström till växelström måste kunna stänga av strömmen i en riktning och skicka den åt andra hållet och sedan vända processen med jämna mellanrum. Ett sätt att göra detta skulle vara att placera ett roterande hjul mellan ett par terminaler och placera kontakterna så att hjulet växlade batteriförbindelserna vid varje centrifugering. Strömmen skulle flyta en riktning när hjulet var vid startpunkten och i motsatt riktning när hjulet hade roterat 180 grader.
En sådan rå installation skulle producera en allt-eller-inget-ström i varje riktning, och om du ritade en elektrons rörelse i kretsen, skulle du få det som kallas en fyrkantvåg. Detta skulle inte vara en bra kraftomvandlare för hemmet. Strömmen kanske kan utföra enkla uppgifter, som att få ett värmeelement att lysa, men det fungerar inte för känslig elektronisk utrustning. Dessutom behöver du ett exakt sätt att styra hjulets rotation för att göra den resulterande växelströmmen användbar.
Omvandlare använder kretskomponenter för att ändra aktuell riktning
I stället för att snurra hjul använder kommersiella växelriktare kretskomponenter som kondensatorer, motstånd och transistorer. Ett vanligt schema för likström till växelriktare visar parallella kretsar med transistorer i serie med motstånd och korskretsar med kondensatorer och effekttransistorer, eller MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). En annan typ använder en Wien bron oscillator, som är konstruerad med motstånd och kondensatorer.
Båda omvandlarna som beskrivs ovan är ren sinusvåg (PSW) inverterares, och signalen de genererar kan användas av alla elektroniska enheter. Om du letar efter en kraftomvandlare för hemmet behöver du en PSW-omformare, eftersom den fungerar med de elektroniska komponenterna i din spis, torktumlare, tvättmaskin och andra apparater.
Den andra typen av DC till AC-omvandlare är en modifierad sinusomvandlare (MSW). Den använder billigare komponenter, som dioder och tyristorer, som liknar transistorer. Signalen från en MSW-omformare är som en fyrkantig våg med hörnen något rundade, och även om den kan driva stora apparater är den inte lämplig för elektronisk utrustning. Det skulle vara den bästa kraftomformaren för en bil, vilket gör batteriet tillgängligt för elverktyg och bilreparationsutrustning.
One More Thing: the Transformer
Även om du konverterar signalen från en likströmskälla, till exempel ett batteri eller solpanel, till växelström, är spänningen inte tillräckligt stor för att driva en 120 V-apparat. Lyckligtvis är det lätt att öka växelspänningen. Allt du behöver är en transformator, som också fungerar på principen om elektromagnetisk induktion.
Driften av en transformator är enkel. Två ledande spolar är placerade sida vid sida - eller en inuti den andra - och strömmen som passerar genom en spole, kallad primärspole, inducerar en ström i den andra, som är sekundärspolen. Förhållandet mellan strömmarna i de två spolarna och deras spänningar styrs av skillnaden i antalet varv i spolarna.
Om sekundärspolen har fler varv än den första kommer transformatorn att öka spänningen med en belopp lika med antalet varv i sekundärspolen dividerat med antalet varv i primären spole.
Du kan designa en växelriktare för att mata vilken spänning du vill, men om du vill ha en DC till AC-omvandlare som kommer att vrida din 12 V bilbatteri till en 120 V strömkälla för ditt hem, måste du göra förhållandet mellan primär och sekundär 1 till 10. Kommersiella växelriktartransformatorer har hundratals varv, och ledningarna genererar resistiv värme, så växelriktaren behöver fenor - och eventuellt en fläkt - för att hålla sig sval. Dessutom lindas spolarna ibland runt en solid kärna för att göra en mer effektiv induktion, vilket kan göra omformaren väldigt tung.