Inhoud
- Wat zijn AC- en DC-stroom?
- Een eenvoudige mechanische DC naar AC converter
- Omvormers gebruiken circuitcomponenten om de huidige richting te veranderen
- Nog een ding: de transformator
Stel dat de stroom uitvalt en alles wat je bij de hand hebt een auto-accu van 12 V is. Kun je het gebruiken om je koelkast van stroom te voorzien zodat het eten niet slecht wordt? Helaas is het antwoord nee, omdat je iets belangrijks mist en niet alleen over een aansluiting voor de stekker sprak. U hebt een apparaat nodig dat de gelijkstroom van de batterij omzet in wisselstroom die de koelcompressor kan bedienen.
Deze DC naar AC converter wordt een genoemd inverter. Het is vrij eenvoudig om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom - het enige wat u hoeft te doen is de stroom door een diode te voeren, die de stroom slechts in één richting doorlaat. Het omzetten van DC naar AC is ingewikkelder, omdat je een soort oscillator nodig hebt die de huidige richting omkeert met de frequentie die je nodig hebt. Er is een manier om dit mechanisch te doen, maar de meeste omvormers vertrouwen op weerstanden, condensatoren, transistoren en andere circuitapparaten.
Een omvormer heeft nog een ding nodig: een manier om de spanning van de stroombron te wijzigen voor gebruik door het apparaat dat de stroom gebruikt. Met andere woorden, het heeft een nodig transformator. Als u bijvoorbeeld uw 120 V-koelkast van stroom voorziet met een 12 V-batterij, heeft de omvormer een step-up transformator nodig die de spanning 10 keer verhoogt. Omdat het alleen met AC-stroom werkt, gaat de transformator in het circuit na de componenten die de stroom van DC naar AC veranderen.
Wat zijn AC- en DC-stroom?
De meeste mensen leren over gelijkstroom in hun inleiding tot elektriciteit, en de beste manier om het te visualiseren is door aan een batterij te denken. Als u de batterijaansluitingen verbindt met geleidende draad, stromen elektronen van de negatieve naar de positieve, net als mieren die elkaar volgen tijdens het voederen.
Als u een belasting zoals een lamp in het circuit plaatst, stromen de elektronen door de belasting en werken ze op weg naar de positieve aansluiting. In het geval van een gloeilamp is het werk om de gloeidraad te verwarmen zodat deze gloeit.
In plaats van in een enkele richting te stromen, keert wisselstroom vele keren per seconde van richting om, en dat komt door de manier waarop het wordt gegenereerd. Gebruikmakend van elektromagnetische inductie, een fenomeen waarbij een veranderend magnetisch veld een elektrische stroom in een geleidende draad produceert, maakt een wisselstroomgenerator elektriciteit met een draaiende rotor en een spoel van geleidende draad. In één versie is de rotor een permanente magneet en terwijl deze draait, genereert deze een stroom in de spoel die van richting verandert bij elke halve draaiing van de rotor.
AC-stroom beweegt niet door de draad op dezelfde manier als DC-stroom. De beste manier om eraan te denken is alsof de elektronen in de draad op hun plaats trillen. Tijdens de eerste halve spin van de rotor bewegen elektronen in de ene richting en tijdens de tweede halve spin bewegen ze de andere kant op.
Als u de beweging van een enkel elektron versus de tijd plot, genereert het een golfvorm die bekend staat als een sinusgolf. De frequentie van de golf wordt bepaald door de rotatiesnelheid van de generatorrotor.
Een eenvoudige mechanische DC naar AC converter
Een apparaat dat DC in AC-stroom kan veranderen, moet de stroom die in de ene richting gaat en de andere kant op kunnen uitschakelen en vervolgens het proces met regelmatige tussenpozen omkeren. Een manier om dit te doen zou zijn om een roterend wiel tussen een paar terminals te plaatsen en de contacten zo te plaatsen dat het wiel de batterijverbindingen bij elke draai afwisselde. De stroom zou één richting vloeien wanneer het wiel op zijn startpunt was en in de tegenovergestelde richting wanneer het wiel 180 graden had gedraaid.
Zo'n ruwe opstelling zou een alles-of-niets-stroom in elke richting produceren, en als je de beweging van een elektron in het circuit in kaart zou brengen, zou je een blokgolf krijgen. Dit zou geen goede omvormer voor thuis zijn. De stroom kan misschien eenvoudige taken uitvoeren, zoals het laten gloeien van een verwarmingselement, maar het zou niet werken voor gevoelige elektronische apparatuur. Bovendien had u een nauwkeurige manier nodig om de rotatie van het wiel te regelen om de resulterende wisselstroom nuttig te maken.
Omvormers gebruiken circuitcomponenten om de huidige richting te veranderen
In plaats van draaiende wielen maken commerciële omvormers gebruik van circuitcomponenten zoals condensatoren, weerstanden en transistoren. Een gebruikelijk DC naar AC inverter schema toont parallelle circuits met transistors in serie met weerstanden en kruiscircuits met condensatoren en vermogenstransistors, of MOSFETs (metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistors). Een ander type maakt gebruik van een Wien brugoscillator, die is opgebouwd met weerstanden en condensatoren.
Beide hierboven beschreven omvormers zijn pure sine wave (PSW) -omvormers, en het signaal dat ze genereren kan door alle elektronische apparaten worden gebruikt. Als u op zoek bent naar een omvormer voor thuis, hebt u een PSW-omvormer nodig, omdat deze werkt met de elektronische componenten in uw fornuis, droger, wasmachine en andere apparaten.
Het andere type gelijkstroom-wisselstroomomzetter is een gemodificeerde sinusomvormer (MSW). Het maakt gebruik van goedkopere componenten, zoals diodes en thyristors, die vergelijkbaar zijn met transistors. Het signaal van een MSW-omvormer is als een blokgolf met zijn hoeken enigszins afgerond, en hoewel het grote apparaten kan voeden, is het niet geschikt voor elektronische apparatuur. Het zou de beste omvormer voor een auto zijn en de batterij beschikbaar maken voor elektrisch gereedschap en autoreparatieapparatuur.
Nog een ding: de transformator
Zelfs als u het signaal van een gelijkstroombron, zoals een batterij of zonnepaneel, omzet in wisselstroom, is de spanning niet groot genoeg om een 120 V-apparaat van stroom te voorzien. Gelukkig is het gemakkelijk om de AC-spanning op te voeren. Het enige dat u nodig hebt is een transformator, die ook werkt op het principe van elektromagnetische inductie.
De bediening van een transformator is eenvoudig. Twee geleidende spoelen worden naast elkaar geplaatst - of de ene in de andere - en de stroom die door een spoel gaat, de primaire spoel genoemd, wekt een stroom op in de andere, die de secundaire spoel is. De verhouding van de stromen in de twee spoelen evenals hun spanningen wordt bepaald door het verschil in het aantal windingen in de spoelen.
Als de secundaire spoel meer windingen heeft dan de eerste, zal de transformator de spanning opvoeren met een hoeveelheid gelijk aan het aantal windingen in de secundaire spoel gedeeld door het aantal windingen in de primaire spoel.
U kunt een omvormer ontwerpen die elke gewenste spanning levert, maar als u een DC naar AC-converter wilt die uw 12 V-autobatterij in een 120 V-stroombron voor uw huis verandert, moet u de verhouding tussen de primaire en secundaire 1 tot 10. Commerciële omvormertransformatoren hebben honderden toeren en de draden genereren weerstandswarmte, dus de omvormer heeft vinnen - en mogelijk een ventilator - nodig om koel te blijven. Bovendien worden de spoelen soms rond een vaste kern gewikkeld om voor een effectievere inductie te zorgen, en dat kan de omvormer erg zwaar maken.