Co to jest konwerter AC / DC



Energia elektryczna jest transportowana przewodami jako prąd stały (DC) przepływający w jednym kierunku przy nieoscylującym stałym napięciu lub jako prąd przemienny (AC) płynący do tyłu i do przodu z powodu oscylującego napięcia. AC jest dominującą metodą transportu energii, ponieważ oferuje kilka zalet w porównaniu z prądem stałym, w tym niższe koszty dystrybucji i prosty sposób konwersji między poziomami napięcia dzięki wynalezieniu transformatora. Zasilanie prądem przemiennym, które jest przesyłane pod wysokim napięciem na duże odległości, a następnie konwertowane na niższe napięcie, jest bardziej wydajnym i bezpieczniejszym źródłem energii w domach. W zależności od lokalizacji, wysokie napięcie może wynosić od 4 kV (kilowoltów) do 765 kV. Przypominamy, że sieć prądu zmiennego w domach waha się od 110 V do 250 V, w zależności od tego, w której części świata mieszkasz. W USA typowa linia główna prądu przemiennego ma napięcie 120 V.

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 nie zepsuło się? Niestety odpowiedź brzmi nie, ponieważ brakuje ci czegoś ważnego i nie mówimy tylko o gniazdku na wtyczkę. Potrzebujesz urządzenia, które zamieni prąd stały z akumulatora na prąd zmienny, który może obsługiwać sprężarkę lodówki. Ten konwerter prądu stałego na prąd przemienny nazywa się falownikiem. Przekształcenie prądu przemiennego w prąd stały jest dość łatwe - wystarczy tylko przepuścić prąd przez diodę, która przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku. Konwersja z prądu stałego na prąd przemienny jest bardziej skomplikowana, ponieważ potrzebujesz jakiegoś oscylatora, który odwraca kierunek prądu z potrzebną częstotliwością. Można to zrobić mechanicznie, ale większość falowników opiera się na rezystorach, kondensatorach, tranzystorach i innych elementach obwodów. Falownik potrzebuje jeszcze jednej rzeczy: sposobu na zmianę napięcia źródła prądu używanego przez urządzenie, które będzie korzystało z mocy. Innymi słowy, potrzebuje transformatora. Na przykład, jeśli zasilasz lodówkę 120 V akumulatorem 12 V, falownik potrzebuje transformatora podwyższającego, który zwiększa napięcie 10-krotnie. Ponieważ działa tylko z prądem przemiennym, transformator przechodzi do obwodu za elementami, które zmieniają prąd z prądu stałego na prąd przemienny.


Co to jest prąd zmienny i stały?



Większość ludzi dowiaduje się o prądzie stałym we wstępie do elektryczności, a najlepszym sposobem na wizualizację tego zjawiska jest myślenie o baterii. Jeśli połączysz zaciski akumulatora przewodem przewodzącym, elektrony przepływają z bieguna ujemnego do dodatniego, podobnie jak mrówki podążające za sobą podczas żerowania. Jeśli umieścisz obciążenie, takie jak światło, w obwodzie, elektrony przepływają przez ładunek i pracują w drodze do dodatniego zacisku. W przypadku żarówki praca polega na podgrzaniu żarnika tak, aby się świecił. Zamiast płynąć w jednym kierunku, prąd zmienny 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 w przewodzie, generator prądu przemiennego wytwarza prąd z wirującym wirnikiem i cewką przewodzącego drutu. W jednej wersji wirnik jest magnesem trwałym i gdy się obraca, generuje prąd w cewce, który zmienia kierunek z każdym półobrotem wirnika.

Prąd AC nie przepływa przez przewód w taki sam sposób jak prąd stały. Najlepszym sposobem myślenia o tym jest to, że elektrony w przewodzie wibrują w miejscu. Podczas pierwszego półobrotu wirnika elektrony poruszają się w jednym kierunku, a podczas drugiego półobrotu w drugim. Jeśli wykreślisz ruch pojedynczego elektronu w funkcji czasu, wygeneruje on przebieg zwany falą sinusoidalną. Częstotliwość fali zależy od prędkości obrotowej wirnika generatora.

 

Prosty mechaniczny konwerter DC na AC

Urządzenie, które może zmienić prąd stały na przemienny, musi mieć możliwość wyłączenia prądu płynącego w jednym kierunku i przesyłania go w drugą, a następnie odwracać ten 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, a w przeciwnym, gdy obracało się o 180 stopni. Taka prymitywna konfiguracja wytworzyłaby prąd typu „wszystko albo nic” w każdym kierunku, a gdybyśmy wykreślił ruch elektronu w obwodzie, otrzymalibyśmy tak zwaną falę prostokątną. To nie byłby dobry falownik do domu. Prąd może być w stanie wykonywać proste zadania, takie jak rozjaśnianie elementu grzejnego, ale nie będzie działać w przypadku wrażliwego sprzętu elektronicznego. Co więcej, potrzebny byłby dokładny sposób kontrolowania obrotu koła, aby uzyskana moc prądu przemiennego była użyteczna.



Jeszcze jedno: transformator

Nawet jeśli przekonwertujesz sygnał ze źródła prądu stałego, takiego jak bateria lub panel słoneczny, na prąd zmienny, napięcie nie będzie wystarczająco duże, aby zasilić urządzenie 120 V. Na szczęście łatwo jest podnieść 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 wewnątrz drugiej - a prąd przepływający przez jedną cewkę, zwaną cewką pierwotną, indukuje prąd w drugiej, która jest cewką wtórną. Stosunek prądów w obu cewkach, jak również ich napięcia, zależy od różnicy liczby zwojów cewek. Jeśli cewka wtórna ma więcej zwojów niż pierwsza, transformator zwiększy napięcie o wartość równą liczbie zwojów cewki wtórnej podzielonej przez liczbę zwojów cewki pierwotnej. Możesz zaprojektować falownik, który będzie dostarczał dowolne napięcie, ale jeśli chcesz, aby konwerter prądu stałego na prąd zmienny zamienił akumulator samochodowy 12 V w źródło zasilania 120 V dla Twojego domu, musisz ustawić stosunek między pierwotnym a wtórnym 1 do 10. Dostępne w handlu transformatory inwerterowe mają setki zwojów, a przewody generują ciepło rezystancyjne, dlatego falownik potrzebuje żeberek - i prawdopodobnie wentylatora - do utrzymania niskiej temperatury. Co więcej, cewki są czasami nawijane wokół pełnego rdzenia, aby zapewnić bardziej efektywną indukcję, co może spowodować, że falownik będzie bardzo ciężki.