Περιεχόμενο
- Τι είναι το ρεύμα AC και DC;
- Ένας απλός μηχανικός μετατροπέας DC σε AC
- Οι μετατροπείς χρησιμοποιούν τα στοιχεία κυκλώματος για να αλλάξουν την τρέχουσα κατεύθυνση
- Ένα ακόμα πράγμα: ο Μετασχηματιστής
Ας υποθέσουμε ότι η τροφοδοσία σβήνει και το μόνο που έχετε στη διάθεσή σας είναι μια μπαταρία αυτοκινήτου 12 V. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε το ψυγείο σας, ώστε το φαγητό να μην πάει άσχημα; Δυστυχώς, η απάντηση είναι όχι, επειδή έχετε χάσει κάτι σημαντικό και δεν μιλούσατε μόνο για μια υποδοχή για το βύσμα. Χρειάζεστε μια συσκευή που θα μετατρέπει την ισχύ συνεχούς ρεύματος από την μπαταρία σε εναλλασσόμενο ρεύμα που μπορεί να λειτουργήσει τον συμπιεστή ψυγείων.
Αυτός ο μετατροπέας DC to AC ονομάζεται a αντιστροφέας. Είναι αρκετά εύκολο να μετατρέψετε το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος σε DC - το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να τροφοδοτήσετε το ρεύμα μέσω μιας διόδου, η οποία περνά μόνο από το ρεύμα προς μία κατεύθυνση. Η μετατροπή από DC σε AC είναι πιο περίπλοκη, επειδή χρειάζεστε κάποιο είδος ταλαντωτή που αντιστρέφει την τρέχουσα κατεύθυνση με τη συχνότητα που χρειάζεστε. Υπάρχει ένας τρόπος για να γίνει αυτό μηχανικά, αλλά οι περισσότεροι μετατροπείς βασίζονται σε αντιστάσεις, πυκνωτές, τρανζίστορ και άλλες διατάξεις κυκλώματος.
Ένας μετατροπέας χρειάζεται ένα ακόμη πράγμα: έναν τρόπο να αλλάξει η τάση της πηγής ρεύματος για χρήση από τη συσκευή που θα χρησιμοποιεί την ενέργεια. Με άλλα λόγια, χρειάζεται ένα μετασχηματιστής. Για παράδειγμα, εάν τροφοδοτείτε το ψυγείο 120 V με μπαταρία 12 V, ο μετατροπέας χρειάζεται ένα μετασχηματιστή βαθμιαίας αύξησης που αυξάνει την τάση κατά 10 φορές. Δεδομένου ότι λειτουργεί μόνο με ρεύμα AC, ο μετασχηματιστής πηγαίνει στο κύκλωμα μετά από τα εξαρτήματα που αλλάζουν το ρεύμα από DC σε AC.
Τι είναι το ρεύμα AC και DC;
Οι περισσότεροι άνθρωποι μαθαίνουν για το ρεύμα συνεχούς ρεύματος στην εισαγωγή τους στον ηλεκτρισμό και ο καλύτερος τρόπος για να το απεικονίσει είναι να σκεφτεί μια μπαταρία. Εάν συνδέσετε τους ακροδέκτες της μπαταρίας με καλώδιο μεταφοράς, τα ηλεκτρόνια ρέουν από τον αρνητικό τερματικό στον θετικό, όπως και τα μυρμήγκια ακολουθώντας το ένα το άλλο κατά την κτύπησή τους.
Εάν τοποθετήσετε ένα φορτίο όπως ένα φως στο κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του φορτίου και λειτουργούν στο δρόμο προς το θετικό τερματικό. Στην περίπτωση ενός λαμπτήρα, το έργο είναι να θερμαίνει το νήμα ώστε να ανάβει.
Αντί να ρέει σε μία μόνο κατεύθυνση, το ρεύμα AC αναστρέφει την κατεύθυνση πολλές φορές ανά δευτερόλεπτο, και αυτό οφείλεται στον τρόπο που παράγεται. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, ένα φαινόμενο με το οποίο ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα αγώγιμο σύρμα, μια γεννήτρια εναλλασσομένου ρεύματος κάνει την ηλεκτρική ενέργεια με περιστρεφόμενο στροφείο και ένα πηνίο αγώγιμου σύρματος. Σε μία εκδοχή, ο ρότορας είναι ένας μόνιμος μαγνήτης και καθώς περιστρέφεται παράγει ένα ρεύμα στο πηνίο που αλλάζει κατεύθυνση με κάθε μισή περιστροφή του ρότορα.
Το ρεύμα AC δεν κινείται μέσα στο καλώδιο με τον ίδιο τρόπο που κάνει το ρεύμα DC. Ο καλύτερος τρόπος να το σκεφτείτε είναι ότι τα ηλεκτρόνια του σύρματος δονείται στη θέση του. Κατά τη διάρκεια του πρώτου εξαμήνου του στροφέα, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τη μία κατεύθυνση και κατά τη διάρκεια του δευτέρου στροφέα, κινούνται προς την άλλη κατεύθυνση.
Εάν σχεδιάσετε την κίνηση ενός μόνο ηλεκτρονίου έναντι του χρόνου, θα δημιουργήσει μια κυματομορφή γνωστή ως ημιτονοειδές κύμα. Η συχνότητα του κύματος καθορίζεται από την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα γεννήτριας.
Ένας απλός μηχανικός μετατροπέας DC σε AC
Μια συσκευή που μπορεί να αλλάξει το ρεύμα DC σε AC πρέπει να είναι σε θέση να απενεργοποιεί το ρεύμα που πηγαίνει προς μία κατεύθυνση και το αντίστροφο, και στη συνέχεια να αναστρέφει τη διαδικασία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ένας τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι να τοποθετήσετε έναν περιστρεφόμενο τροχό ανάμεσα σε ένα ζεύγος ακροδεκτών και να ρυθμίσετε τις επαφές έτσι ώστε ο τροχός να εναλλάσσει τις συνδέσεις της μπαταρίας με κάθε περιστροφή. Το ρεύμα θα ρέει μία κατεύθυνση όταν ο τροχός ήταν στο σημείο εκκίνησης και στην αντίθετη κατεύθυνση όταν ο τροχός είχε περιστραφεί κατά 180 μοίρες.
Μια τέτοια ακατέργαστη διάταξη θα παρήγαγε ένα ρεύμα που δεν είναι καθόλου ή τίποτα σε κάθε κατεύθυνση και εάν καταγράψατε την κίνηση ενός ηλεκτρονίου στο κύκλωμα, θα αποκτούσατε αυτό που είναι γνωστό ως τετράγωνο κύμα. Αυτό δεν θα ήταν ένας καλός μετατροπέας ισχύος για το σπίτι. Το ρεύμα μπορεί να είναι σε θέση να εκτελέσει απλές εργασίες, όπως κάνοντας ένα στοιχείο θέρμανσης λάμψη, αλλά δεν θα λειτουργήσει για ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Επιπλέον, χρειάζεστε έναν ακριβή τρόπο για να ελέγξετε την περιστροφή του τροχού για να καταστήσετε χρήσιμη την προκύπτουσα ισχύ AC.
Οι μετατροπείς χρησιμοποιούν τα στοιχεία κυκλώματος για να αλλάξουν την τρέχουσα κατεύθυνση
Αντί για τους περιστρεφόμενους τροχούς, οι εμπορικοί μετατροπείς χρησιμοποιούν εξαρτήματα κυκλωμάτων όπως πυκνωτές, αντιστάσεις και τρανζίστορ. Ένα κοινό σχηματισμό μετατροπέα DC to AC δείχνει παράλληλα κυκλώματα με τρανζίστορ σε σειρά με αντιστάσεις και εγκάρσια κυκλώματα με πυκνωτές και τρανζίστορ ισχύος ή MOSFETs (Τρανζίστορ πεδίου εξόδου πεδίου μεταλλικού οξειδίου). Ένας άλλος τύπος χρησιμοποιεί a Ταλαντωτής γέφυρας Wien, η οποία είναι κατασκευασμένη με αντιστάσεις και πυκνωτές.
Και οι δύο μετατροπείς που περιγράφονται παραπάνω είναι καθαρού ημιτονοειδούς κύματος (PSW)s και το σήμα που παράγουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν από όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές. Αν ψάχνετε για μετατροπέα ισχύος για το σπίτι, χρειάζεστε έναν μετατροπέα PSW, επειδή θα λειτουργεί με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα της σόμπας, του στεγνωτηρίου, του πλυντηρίου και άλλων συσκευών.
Ο άλλος τύπος μετατροπέα DC to AC είναι a τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα (MSW). Χρησιμοποιεί φθηνότερα εξαρτήματα, όπως διόδους και θυρίστορ, τα οποία είναι παρόμοια με τα τρανζίστορ. Το σήμα από έναν μετατροπέα MSW είναι σαν ένα τετράγωνο κύμα με τις γωνίες του ελαφρώς στρογγυλεμένες και ενώ μπορεί να τροφοδοτήσει μεγάλες συσκευές, δεν είναι κατάλληλο για ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Θα ήταν ο καλύτερος μετατροπέας ισχύος για ένα αυτοκίνητο, καθιστώντας την μπαταρία διαθέσιμη για ηλεκτρικά εργαλεία και εξοπλισμό επισκευής αυτοκινήτων.
Ένα ακόμα πράγμα: ο Μετασχηματιστής
Ακόμη και αν μετατρέψετε το σήμα από μια πηγή ρεύματος συνεχούς ρεύματος, όπως μια μπαταρία ή ένα ηλιακό πάνελ, σε AC, η τάση δεν θα είναι αρκετά μεγάλη για να τροφοδοτήσει μια συσκευή 120 V. Ευτυχώς, είναι εύκολο να αυξήσει την τάση AC. Το μόνο που χρειάζεστε είναι α μετασχηματιστής, η οποία λειτουργεί επίσης με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Η λειτουργία ενός μετασχηματιστή είναι απλή. Δύο αγώγιμα πηνία τοποθετούνται δίπλα-δίπλα-ή το ένα μέσα στο άλλο- και το ρεύμα που διέρχεται από ένα πηνίο, που ονομάζεται πρωτεύον πηνίο, προκαλεί ρεύμα στο άλλο, το οποίο είναι το δευτερεύον πηνίο. Η αναλογία των ρευμάτων στα δύο πηνία καθώς και οι τάσεις τους διέπεται από τη διαφορά στον αριθμό των στροφών στα πηνία.
Εάν το δευτερεύον πηνίο έχει περισσότερες στροφές από το πρώτο, ο μετασχηματιστής θα αυξήσει την τάση κατά μία ποσότητα ίση με τον αριθμό των στροφών στο δευτερεύον πηνίο διαιρούμενο με τον αριθμό των στροφών στο πρωτεύον πηνίο.
Μπορείτε να σχεδιάσετε ένα μετατροπέα για να τροφοδοτήσετε οποιαδήποτε τάση θέλετε, αλλά εάν θέλετε μετατροπέα DC to AC που θα μετατρέψει τη μπαταρία αυτοκινήτου 12 V σε πηγή τροφοδοσίας 120 V για το σπίτι σας, θα πρέπει να κάνετε την αναλογία μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος 1 έως 10. Οι εμπορικοί μετασχηματιστές μετατροπέων έχουν εκατοντάδες στροφές και τα καλώδια παράγουν αντιστατική θερμότητα, οπότε ο μετατροπέας χρειάζεται πτερύγια - και ενδεχομένως ανεμιστήρα - για να διατηρεί δροσιά. Επιπλέον, τα πηνία μερικές φορές τυλίγονται γύρω από έναν συμπαγή πυρήνα για να κάνουν πιο αποτελεσματική επαγωγή, και αυτό μπορεί να κάνει τον αντιστροφέα πολύ βαρύ.