Contenu
- Que sont le courant alternatif et le courant continu?
- Un convertisseur simple mécanique à courant continu
- Les onduleurs utilisent des composants de circuit pour modifier la direction du courant
- Encore une chose: le transformateur
Supposons que le courant soit coupé et que tout ce que vous avez sous la main est une batterie de voiture de 12 V. Pouvez-vous l'utiliser pour alimenter votre réfrigérateur afin que la nourriture ne va pas mal? Malheureusement, la réponse est non, car il vous manque quelque chose d'important et vous ne parliez pas simplement d'un réceptacle pour la fiche. Vous avez besoin d'un appareil capable de convertir le courant continu de la batterie en un courant alternatif capable de faire fonctionner le compresseur de réfrigérateurs.
Ce convertisseur continu-alternatif est appelé un onduleur. Il est relativement facile de convertir le courant alternatif en courant continu: tout ce que vous avez à faire est de faire passer le courant dans une diode, qui ne le fait que dans un sens. La conversion de courant continu en courant alternatif est plus compliquée, car vous avez besoin d’un oscillateur capable d’inverser la direction du courant à la fréquence dont vous avez besoin. Il existe un moyen de le faire mécaniquement, mais la plupart des inverseurs reposent sur des résistances, des condensateurs, des transistors et autres dispositifs de circuit.
Un onduleur a besoin d’une dernière chose: un moyen de modifier la tension de la source de courant à l’usage de l’appareil qui utilisera l’alimentation. En d'autres termes, il faut un transformateur. Par exemple, si vous alimentez votre réfrigérateur 120 V avec une batterie 12 V, l’onduleur a besoin d’un transformateur élévateur qui augmente la tension de 10 fois. Comme il ne fonctionne qu'avec du courant alternatif, le transformateur passe dans le circuit après les composants qui modifient le courant de continu à alternatif.
Que sont le courant alternatif et le courant continu?
La plupart des gens découvrent le courant continu dans leur introduction à l’électricité et la meilleure façon de le visualiser est de penser à une batterie. Si vous connectez les bornes de la batterie avec un fil conducteur, les électrons vont de la borne négative à la borne positive, un peu à la manière des fourmis qui se suivent lorsqu'elles se nourrissent.
Si vous placez une charge telle qu'une lumière dans le circuit, les électrons traversent la charge et continuent leur chemin vers la borne positive. Dans le cas d'une ampoule électrique, le travail consiste à chauffer le filament pour qu'il brille.
Au lieu de circuler dans une seule direction, le courant alternatif inverse la direction plusieurs fois par seconde, en raison de la façon dont il l'a généré. En utilisant l’induction électromagnétique, un phénomène dans lequel un champ magnétique changeant produit un courant électrique dans un fil conducteur, un générateur de courant alternatif produit de l’électricité avec un rotor en rotation et une bobine de fil conducteur. Dans une version, le rotor est un aimant permanent et génère un courant dans la bobine en rotation, qui change de direction à chaque demi-tour du rotor.
Le courant alternatif ne traverse pas le fil de la même manière que le courant continu. La meilleure façon de penser à cela est comme si les électrons du fil vibraient sur place. Pendant la première demi-rotation du rotor, les électrons se déplacent dans une direction et pendant la deuxième demi-rotation, ils se déplacent dans le sens opposé.
Si vous tracez le mouvement d'un seul électron en fonction du temps, il générera une forme d'onde appelée onde sinusoïdale. La fréquence de l'onde est régie par la vitesse de rotation du rotor du générateur.
Un convertisseur simple mécanique à courant continu
Un appareil pouvant changer le courant continu en courant alternatif doit pouvoir couper le courant dans un sens et dans l'autre sens, puis inverser le processus à intervalles réguliers. Pour ce faire, vous pouvez placer une roue rotative entre une paire de bornes et disposer les contacts de manière à ce que la roue alterne les connexions de la batterie à chaque tour. Le courant circulerait dans un sens lorsque la roue était à son point de départ et dans le sens opposé lorsque la roue avait tourné à 180 degrés.
Une telle configuration grossière produirait un courant tout ou rien dans chaque direction, et si vous représentiez graphiquement le mouvement d'un électron dans le circuit, vous obtiendriez ce que l'on appelle une onde carrée. Ce ne serait pas un bon onduleur pour la maison. Le courant pourrait peut-être effectuer des tâches simples, telles que faire briller un élément chauffant, mais cela ne fonctionnerait pas pour les équipements électroniques sensibles. De plus, vous avez besoin d’un moyen précis de contrôler la rotation de la roue pour que le courant alternatif résultant soit utile.
Les onduleurs utilisent des composants de circuit pour modifier la direction du courant
Plutôt que de faire tourner des roues, les inverseurs commerciaux utilisent des composants de circuit tels que des condensateurs, des résistances et des transistors. Un schéma courant inverseur courant-alternatif montre des circuits parallèles avec des transistors en série avec des résistances et des circuits croisés avec des condensateurs et des transistors de puissance, ou MOSFETs (Transistors à effet de champ à oxyde métallique et semi-conducteurs). Un autre type emploie un Oscillateur à pont de Wien, qui est construit avec des résistances et des condensateurs.
Les deux inverseurs décrits ci-dessus sont onduleur à onde sinusoïdale pure (PSW)s, et le signal qu’elles génèrent peut être utilisé par tous les appareils électroniques. Si vous recherchez un onduleur pour la maison, vous avez besoin d’un onduleur PSW, car il fonctionnera avec les composants électroniques de votre cuisinière, de votre sécheuse, de votre machine à laver et autres appareils.
L’autre type de convertisseur continu-alternatif est un onduleur à onde sinusoïdale modifiée (MSW). Il utilise des composants moins chers, tels que des diodes et des thyristors, similaires aux transistors. Le signal d'un onduleur MSW ressemble à une onde carrée avec ses coins légèrement arrondis. Bien qu'il puisse alimenter de gros appareils, il n'est pas adapté aux équipements électroniques. Ce serait le meilleur onduleur pour une voiture, rendant la batterie disponible pour les outils électriques et les équipements de réparation automobile.
Encore une chose: le transformateur
Même si vous convertissez le signal d'une source d'alimentation en CC, telle qu'une batterie ou un panneau solaire, en courant alternatif, la tension ne sera pas suffisamment élevée pour alimenter un appareil de 120 V. Heureusement, il est facile d'augmenter la tension alternative. Tout ce dont vous avez besoin est un transformateur, qui fonctionne également sur le principe de l’induction électromagnétique.
Le fonctionnement d'un transformateur est simple. Deux bobines conductrices sont placées côte à côte - ou l'une à l'intérieur de l'autre - et le courant traversant une bobine, appelée bobine primaire, induit un courant dans l'autre, la bobine secondaire. Le rapport entre les courants dans les deux bobines et leurs tensions est régi par la différence de nombre de tours dans les bobines.
Si la bobine secondaire a plus de tours que le premier, le transformateur augmentera la tension d'une quantité égale au nombre de tours dans la bobine secondaire divisée par le nombre de tours dans la bobine primaire.
Vous pouvez concevoir un onduleur pour fournir la tension de votre choix, mais si vous souhaitez un convertisseur CC-CA qui transformera votre batterie de voiture 12 V en une source d'alimentation de 120 V pour votre maison, vous devez définir le rapport entre le primaire et le secondaire. 1 à 10. Les transformateurs d’inverseurs commerciaux ont des centaines de tours et les fils génèrent de la chaleur résistive. L’inverseur a donc besoin d’ailettes - et éventuellement d’un ventilateur - pour rester au frais. De plus, les bobines sont parfois enroulées autour d'un noyau solide pour une induction plus efficace, ce qui peut rendre l'onduleur très lourd.