Schema e Funzionamento di un Inverter
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In questa pagina ti spiegheremo cos'è un inverter, qual è la sua funzione, da cosa è costituito, qual è il suo principio di funzionamento e quali sono i principali tipi di inverter usati nelle situazioni e bisogni più comuni.
Grazie all'aiuto di semplici schemi illustrati, sarai guidato nella comprensione di questo importante apparato elettronico indispensabile in moltissimi campi d'applicazione. Inoltre troverai lo schema elettrico per costruire un inverter ad onda quadra e tanti pratici consigli in modo da poter fare un acquisto sicuro, consapevole e duraturo.
Cos'è un Inverter ed a cosa serve?
Un inverter è un apparato elettronico in grado di trasformare una corrente continua (DC), in una corrente alternata (AC) ad una determinata tensione e frequenza. Se ad esempio dobbiamo alimentare un elettrodomestico che funziona in corrente alternata 230V (frequenza 50Hz) ma non abbiamo a disposizione la corrente alternata di rete, grazie all'inverter possiamo alimentarlo ugualmente, sfruttando una sorgente di corrente continua, come una batteria 12V (DC).
È quindi indispensabile il suo utilizzo per alimentare tramite corrente continua, i dispositivi elettrici che funzionano in corrente alternata. Gli inverter sono utilizzati in impianti fotovoltaici ad isola (stand-alone) per alimentare dispositivi elettrici di case isolate, baite di montagna, camper, imbarcazioni e sono utilizzati anche in impianti fotovoltaici grid connected per immettere la corrente prodotta dall'impianto direttamente nella rete elettrica di distribuzione (inverter fotovoltaici).
Gli inverter sono utilizzati anche in moltissime altre applicazioni, che spaziano dai gruppi di continuità ai controllori di velocità dei motori elettrici, dagli alimentatori switching all'illuminazione.
Col termine inverter si può intendere anche un gruppo "raddrizzatore-invertitore", alimentato a corrente alternata ed utilizzato per variare la tensione e la frequenza della corrente alternata in uscita in funzione di quella in entrata (ad esempio per l'alimentazione di particolari macchine operatrici).
Gli inverter utilizzati per alimentare dei carichi in corrente alternata, sono perlopiù di tre tipologie:
• inverter ad onda quadra
• inverter ad onda sinusoidale modificata
• inverter ad onda sinusoidale pura
Gli inverter ad onda quadra sono adatti per alimentare carichi puramente resistivi. Gli inverter ad onda sinusoidale modificata sono adatti per carichi resistivi e capacitivi, ma con carichi induttivi possono produrre del rumore. Infine, gli inverter ad onda sinusoidale pura sono adatti a tutti i tipi di carichi perchè riproducono fedelmente un'onda sinusoidale uguale a quella della nostra rete elettrica domestica.
Come funziona un inverter?
Bene, ora iniziamo a spiegare questo interessante fenomeno di trasformazione d'energia. Abbiamo detto che un inverter può ottenere una corrente alternata partendo da una corrente continua. Per comprendere questo fenomeno è bene partire dalla spiegazione di un alternatore.
L'alternatore è una macchina elettrica rotante che trasforma l'energia meccanica in energia elettrica sotto forma di corrente alternata attraverso il fenomeno naturale dell'induzione elettromagnetica (un esempio è l'alternatore della bici). Nella sua forma più semplice, è composto da una bobina di filo con un magnete rotante vicino ad essa. Non appena un polo del magnete si avvicina alla bobina, si creerà una corrente indotta nella bobina e questa fluirà nella direzione opposta alla rotazione del magnete. Viene quindi prodotta una corrente alternata.
Ora vediamo come si comporta un trasformatore. Un trasformatore produce anch'esso una corrente alternata indotta nella bobina, ma questa volta, il campo magnetico variabile è prodotto, non da un magnete ma da un'altra bobina (chiamata bobina primaria) avente una corrente alternata che scorre in essa.
Ogni bobina attraversata da una corrente elettrica alternata si comporta come un magnete e produce un campo magnetico. Se la direzione della corrente cambia, la polarità del campo magnetico cambia.
La cosa utile di un trasformatore è che la tensione prodotta nella bobina secondaria non è necessariamente la stessa di quella applicata alla spirale primaria.
Se la bobina secondaria è composta da un avvolgimento doppio (ha due volte il numero di giri) rispetto alla bobina primaria, la tensione secondaria sarà il doppio della tensione applicata alla bobina primaria. Si può effettivamente produrre qualunque tensione vogliamo variando le dimensioni delle bobine.
Se nella bobina primaria, al posto della corrente alternata, facciamo scorrere la corrente continua di una batteria, non viene a formarsi nessuna corrente indotta nella bobina secondaria, in quanto il campo magnetico non varia. Ma se noi facciamo cambiare direzione alla corrente continuamente e rapidamente, allora abbiamo già realizzato un inverter molto semplice e funzionale. Questo inverter produce in uscita un onda quadra, la cui frequenza dipende dal tempo in cui cambiamo la direzione della corrente continua circolante nella bobina primaria.
Come rendere possibile questi continui e rapidi cambiamenti in modo automatico? Utilizzando un circuito a transistor, o ancor meglio realizzato tramite MOSFET, o tiristori o IGBT, che sono più efficienti.
Qui di seguito troverai lo schema per realizzare un semplicissimo inverter ad onda quadra, utilizzando un circuito multivibratore astabile per il pilotaggio della bobina primaria. Naturalmente questo tipo di inverter è ricco di armoniche e quindi non è adatto per alimentare nè carichi capacitivi nè quelli induttivi. È possibile alimentare solo carichi puramente resistivi, come per esempio lampadine a filamento o stufe elettriche.
Schema di un inverter ad onda quadra
I transistor Q1 e Q2, come pure il trasformatore T1, determinano quanta potenza può erogare l'inverter. Q1 e Q2 sono transistor 2N3055 e T1 è un trasformatore con corrente massima 15A; in questo caso l'inverter può erogare circa 300 watts.
Ricordati che se operi con correnti elevate, questo inverter assorbirà dalla batteria considerevoli quantità di corrente ed in poco tempo potresti ritrovarti la batteria seriamente danneggiata. È bene quindi predisporre un sensore per l'interruzione automatico del funzionamento dell'inverter non appena la batteria "scende" sotto una determinata soglia di tensione. Inoltre è buona cosa inserire un fusibile di protezione, prima della messa in funzione del circuito.
Inverter ad onda sinusoidale pura
Per ottenere una corrente alternata sinusoidale all'uscita del nostro trasformatore, dobbiamo applicare una corrente sinusoidale all'ingresso. Per produrre un onda sinusoidale all'ingresso della bobina primaria abbiamo bisogno di un oscillatore. Uno degli oscillatori più semplici che possiamo realizzare è sicuramente quello a Ponte di Wien con transistor FET. L'uscita è resa stabile grazie alla retroazione.
Nella maggior parte dei circuiti oscillatori, la corrente in uscita sarà di bassa intensità o comunque non sufficiente a pilotare la bobina principale. Questa corrente avrà quindi bisogno di essere amplificata da quello che sarà più o meno equivalente ad un potente amplificatore audio in modo da produrre una corrente elevata per la bobina primaria del trasformatore.
Il trasformatore, pur essendo molto utile, non fa niente per niente. Mentre aumenta la tensione, la corrente si riduce, e la potenza (tensione x corrente) rimane la stessa (trascurando le perdite interne al trasformatore). In altre parole, per ottenere in uscita 1Kw in corrente alternata, dobbiamo fornire in entrata 1Kw in corrente continua.
Gli inverter migliori e più costosi sono gestiti da un microcontrollore e basano il loro funzionamento sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM). Il sistema può essere retroazionato in modo da fornire una tensione in uscita stabile al variare di quella di ingresso. Per entrambi i tipi di modulazione la qualità del segnale è determinato dal numero di bit impiegati. Si va da un minimo di 3 bit a un massimo di 12 bit, in grado di descrivere con ottima approssimazione la sinusoide.
Grid Tie Inverter
Un inverter di tipo grid tie invece ha una funzione diversa rispetto all'inverter fin qui descritto. Esso infatti non solo trasforma una corrente continua in corrente alternata, ma è in grado di immettere questa corrente nella rete elettrica nazionale. Per svolgere questa funzione, il grid-tie inverter deve fare il campionamento della tensione di rete e la sincronizzazione per il trasferimento.
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