Innehåll
- Vad är växelström och likström?
- En enkel mekanisk DC till AC-omvandlare
- Inverterare använder kretskomponenter för att ändra aktuell riktning
- En sak till: transformatorn
Anta att strömmen går av, och allt du har till hands är ett 12 V bilbatteri. Kan du använda det för att driva ditt kylskåp så att maten inte går dåligt? Tyvärr är svaret nej, eftersom du saknar något viktigt och inte bara pratade om en behållare för kontakten. Du behöver en enhet som konverterar likströmmen från batteriet till växelström som kan använda kylskåpskompressorn.
Denna DC till AC-omvandlare kallas en inverter. Det är ganska lätt att konvertera växelström till likström - allt du behöver göra är att mata strömmen genom en diod, som bara leder 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 med den frekvens du behöver. Det finns ett sätt att göra detta mekaniskt, men de flesta växelriktare förlitar sig på motstånd, kondensatorer, transistorer och andra kretsenheter.
En omformare behöver ytterligare en sak: ett sätt att ändra spänningen i strömkällan för användning av den enhet som kommer att använda strömmen. Med andra ord, den behöver a transformator. Om du till exempel driver ditt 120 V-kylskåp med ett 12 V-batteri, behöver växelriktaren en trapptransformator 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 batteriterminalerna med ledande ledning flyter elektroner från den negativa terminalen till den positiva, ungefär som myror som följer varandra när de foder.
Om du placerar en last 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 glöder.
I stället för att flyta i en enda riktning, vänder växelströmmen riktning många gånger per sekund, och det är på grund av hur det genereras. Med användning av elektromagnetisk induktion, ett fenomen varvid ett växlande magnetfält producerar en elektrisk ström i en ledande tråd, en växelströmsgenerator producerar elektricitet med en roterande rotor och en spiral av ledande tråd. I en version är rotorn en permanent magnet, och när den snurrar genererar den en ström i spolen som ändrar riktning med varje halva rotation av rotorn.
AC-ström 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 den första halvsnurrningen av rotorn rör sig elektroner i en riktning, och under den andra halvsnurrningen rör de sig åt andra hållet.
Om du plottar rörelsen för en enda elektron mot tiden genererar den en vågform som kallas sinusvågen. Vågens frekvens styrs av rotorns rotationshastighet.
En enkel mekanisk DC till AC-omvandlare
En enhet som kan byta likström till växelström måste kunna stänga av strömmen som går i en riktning och den på andra sättet och sedan vända processen med regelbundna intervall. Ett sätt att göra detta skulle vara att placera ett roterande hjul mellan ett par terminaler och ordna kontakterna så att hjulet växlar batterianslutningarna med varje vridning. 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 ge en allt-eller-ingenting ström i varje riktning, och om du ritade rörelsen för en elektron i kretsen, skulle du få vad som kallas en fyrkantig våg. Detta skulle inte vara en bra kraftomformare för hemmet. Strömmen kanske kan utföra enkla uppgifter, till exempel att göra ett värmeelement glödande, men det skulle inte fungera för känslig elektronisk utrustning. Dessutom behöver du ett exakt sätt att kontrollera hjulets rotation för att göra den resulterande växelströmmen användbar.
Inverterare använder kretskomponenter för att ändra aktuell riktning
I stället för spinnhjul använder kommersiella växelriktare kretskomponenter som kondensatorer, motstånd och transistorer. Ett vanligt schema för likströms-växelriktare visar parallella kretsar med transistorer i serie med motstånd och tvärkretsar med kondensatorer och krafttransistorer, eller MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). En annan typ sysselsätter a Wien bridge oscillator, som är konstruerad med motstånd och kondensatorer.
Båda inverterarna som beskrivs ovan är ren sinusvåg (PSW) inverters, och signalen de genererar kan användas av alla elektroniska enheter. Om du letar efter en kraftomvandlare för hemmet behöver du en PSW-inverter, 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 sinusvåg (MSW) inverter. Det använder billigare komponenter, såsom dioder och tyristorer, som liknar transistorer. Signalen från en MSW-inverter 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.
En sak till: transformatorn
Även om du konverterar signalen från en likströmskälla, till exempel ett batteri eller solpanel, till växelström, kommer spänningen inte att vara tillräckligt stor för att driva en 120 V-apparat. Lyckligtvis är det lätt att öka växelspänningen. Allt du behöver är en transformator, som också arbetar med principen om elektromagnetisk induktion.
Funktionen av en transformator är enkel. Två ledande spolar placeras sida vid sida - eller en inuti den andra - och strömmen som passerar genom en spole, kallad primärspolen, inducerar en ström i den andra, som är den sekundära spolen. Förhållandet mellan strömmarna i de två spolarna såväl som deras spänningar styrs av skillnaden i antalet varv i spolarna.
Om den sekundära spolen har fler varv än den första, kommer transformatorn att stiga upp spänningen med en mängd som är lika med antalet varv i den sekundära spolen dividerat med antalet varv i den primära spolen.
Du kan designa en växelriktare för att leverera den spänning du vill, men om du vill ha en likströmskonverterare som gör ditt 12 V bilbatteri till en 120 V strömkälla för ditt hem måste du göra förhållandet mellan primär och sekundär 1 till 10. Kommersiella invertertransformatorer har hundratals varv, och ledningarna genererar resistiv värme, så omformaren behöver fenor - och eventuellt en fläkt - för att hålla sig sval. Dessutom lindas spolarna ibland runt en fast kärna för att göra effektivare induktion, och det kan göra inverteraren mycket tung.