مبدل الکتریکی یکی از مهمترین جنگ های قرن نوزدهم جنگ برای زمین یا معادن نبود، بلکه جنگ بر سر برق برای تامین انرژی بناها بود است. در سالهای پایانی قرن هیجدهم، پیشتاز برق آمریکایی توماس ادیسون، از ادامه تلاش برای اثبات برتری جریان برق DC نسبت به جریان برق AC منصرف شد، ایده استفاده از سیستم جریان برق متناوب توسط رقیب اصالتاً صربستانی بزرگش نیکولا تسلا حمایت می شد. ادیسون برای اینکه مردم را قانع کند که جریان برق متناوب خیلی خطرناک است، تمامی راه های غیرمستقیم را امتحان کرد. از برق گرفتگی فیل گرفته تا پیشنهاد دادن میز الکتریکی جریان AC برای مجرمان اعدامی. با این حال، سیستم تسلا برنده شد و دنیا تا به امروز با برق AC به طور موثرتری کار کرده است.

تنها مشکل موجود این است که، بسیاری از وسایل ما برای برق AC طراحی شده اند، ولی مولدهای مقیاس کوچک اغلب برق DC تولید می کنند. این به این معنی است که اگر شما بخواهید برای شارژ موبایلتان از باتری DC ماشینتان استفاده کنید، شما به وسیله ای نیاز خواهید داشت که جریان DC را به AC تبدیل کند. درنتیجه شما به یک مبدل الکتریکی نیاز خواهید داشت.

تفاوت بین جریان برق DC و AC چیست؟

وقتی معلمین علوم می خواهند اساس نظریه الکتریسیته را بعنوان جریانی از الکترون ها برای ما توضیح دهند، معمولاً در مورد جریان برق مستقیم(DC) حرف می زنند. ما یاد میگیریم که الکترون ها هم تقریباً مثل خطی از موریانه ها عمل می کنند، به همان شکل که موریانه ها برگ ها را حمل می کنند الکترون ها هم با بسته ای انرژی الکتریکی در حال حرکت هستند. این تشبیه برای وسیله ابتدایی مثل چراغ قوه مناسب است، که مداریست شامل باتری، لامپ و یک عدد کلید متصل بهم، و انرژی الکتریکی تا زمان تمام شدن انرژی باتری بطور سیستم وار از باتری به لامپ انتقال میابد.

در وسایل خانگی بزرگتر، برق به شکل دیگری عمل می کند. منبع تغذیه ای که از پریز میآید از نوع برق AC ست، که جهت جریان آن هر ثانیه 50 تا 60 بار تغییر میکند(بعبارت دیگر در فرکانس 50تا60 هرتز). درک اینکه چطور جریان AC انرژی الکتریکی را به مقصد می رساند، وقتی که بطور مرتب در مورد اینکه به کدام سمت برود نظرش عوض می‌شود، سخت است!

اگر الکترون ها از پریز دیوار شما خارج میشوند، یا چندین میلیمتر بیایند و در جهت عکس دوباره برگردند، چگونه تابحال جهت تولید روشنایی به لامپ رومیزی شما رسیده است؟

در واقع جواب ساده ست. تصور کنید کابل های بین لامپ و دیوار بسته هایی پر از الکترون هستند. وقتی شما کلید را روشن می کنید، تمام الکترونهای داخل کابل تا انتهای رشته های لامپ شروع به ارتعاش کرده، که این حرکات ارتعاشی انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل کرده و در نهایت موجب درخشیدن حباب لامپ میشود. برای انتقال انرژی الزامی نیست که الکترونها درون یک دایره حرکت کنند: در جریان AC آنها صرفاً در یک نقطه ثابت در حال فعالیت هستند.

مبدل الکتریکی چیست؟

یکی از میراث های تسلا طراحی وسایل اکترونیکی برای AC است. ابزاری که به DC نیاز دارند و مجبورند که از خروجی های AC انرژی خود را تامین کنند، به وسیله ای دیگر به نام یکسوکننده احتیاج دارند، که از اجزای الکترونی به نام دیودها ساخته شده و جریان AC را به DC تبدیل میکند.

یک مبدل الکتریکی برعکس این عمل می کند و فهم اصول کار آن بسیار آسان است. فرض کنید شما یک باتری در چراغ قوه دارید و کلید بسته است، بنابراین برق DC به دور مدار جریان پیدا میکند، همیشه در یک جهت، درست مانند ماشین مسابقه که به دور مسیری مشخص در حال حرکت است. حالا اگر شما باتری را بیرون آورده و آنرا بصورت سروته داخل چراغ قوه قرار دهید چه خواهد شد، فرض کنید در این حالت هم کاملا جاگیر شده باشد، مسلماً هنوز چراغ قوه را تغذیه خواهد کرد و شما تفاوت بین نور چراغ قوه را با حالت قبل تشخیص نخواهید داد، اما در واقع جریان الکتریکی در جهت مخالف جریان دارد. حالا فرض کنید که شما دستانی برق آسا و ماهری دارید که میتواند در عرض یک ثانیه باتری را 50 تا60 بار سروته کند. در اینصورت شما یک ماشین مبدل خواهید بود که جریان DC باتری را با فرکانس 50 الی60 هرتز به جریان AC تبدیل می کند.

این گونه منابع معکوس شونده ناگهانی برای برخی از وسایل الکتریکی بسیار مخرب هستند. مطابق شکل زیر، در منابع معمولی AC، جهت جریان بتدریج براساس یک الگوی سینوسی از یک سو به آنسو تغییر می کند:

می توان با استفاده از مبدل الکتریکی این گونه خروجهای به آرامی متغیر AC را، از DC ورودی بدست آورد. بجای تغییر ناگهانی موج مربعی خروجی که با خاموش و روشن کردن کلید در مبدلهای اولیه شاهد بودیم، در یک مبدل الکتریکی از اجزای الکترونیکی به اسم سلف و خازنها استفاده می شود که باعث میشود جریان خروجی بتدریج بالا و پایین شود.

همچنین می توان از مبدل ها به همراه ترانسفورماتورها برای تبدیل ولتاژ ورودی DC مشخصی به یک ولتاژ خروجیAC کاملاً متفاوتی (بالاتر یا پایین تر) نیز استفاده کرد، اما توان خروجی باید همیشه کمتر از توان ورودی باشد: این امر ناشی از قانون بقای انرژیست که یک مبدل یا ترانسفورماتور قادر نخواهد بود که توان خروجی بیشتری نسبت به توان ورودی به دست دهد، زیرا بخشی از انرژی بشکل گرما در حین عبور جریان الکتریکی از میان اجزا مختلف الکترونیکی و الکتریکی از بین می رود. اگرچه فیزیک پایه به ما میگوید که همیشه یه جایی مقداری انرژی تلف می شود، در عمل بازدهی یک مبدل بیش از 90% است.

مبدل الکتریکی چگونه کار می کند؟

تصورکنید شما یه باتری با جریان DC هستید و یکی رو شانه هاتون میزند و میگوید بجای برق DC برق AC تولید کن. شما چطوری این کار را خواهید کرد؟ اگر تمام جریانی که شما تولید می کنید فقط در یک جهت است، چطور که یک کلید ساده به مسیر خروجی شما اضافه شود؟ خاموش و روشن کردن سریع کلید پالسهای برق مستقیم تولید خواهد کرد- که حداقل نصف کار را انجام داده است. برای اینکه برق AC به درستی تولید شود شما به کلیدی نیاز خواهید داشت که این امکان را به شما بدهد که جریان در طول یک ثانیه 50 الی60 بار معکوس کنید. خودتان را تصور کنید که بعنوان یک باتری انسانی اتصالات خودتان را در طول یک دقیقه 3000 بار جلو عقب کنید.

اساساً یک ماشین مبدل قدیمی، بطور خلاصه شده، یک واحد خاموش و روشن کننده متصل به ترانسفورماتور الکتریکی بود. اگر شما در مورد ترانسفورماتورها مطالعه کرده باشید می‌دانید که آنها وسایل الکترومغناطیسی هستند که بوسیله دو عدد سیم پیچ(به اسم اولیه و دومی) که بدور دو هسته آهنی معمولی پیچیده شده اند، جریانهای AC ولتاژ پایین را به جریانهای AC ولتاژ بالا یا برعکس، تبدیل میکنند. در یک مبدل نیز یک موتور الکتریکی یا یک نوع مکانیزم خاموش روشن کننده اتوماتیک با برعکس کردن محل اتصالات به سادگی جهت جریان ورودی را در سیم پیچ اولی جلو عقب کرده، و در سیم پیچ دومی جریان متناوب AC تولید می شود، پس با طرحی که در بالا برای مبدلها رسم شده فرق زیادی ندارد. دستگاه قطع و وصل کننده تقریباً شبیه آنچه که در زنگ خانه ها وجود دارد کار میکند. وقتی منبع وصل است، کلید را آهنربایی کرده، آنرا کشیده و بسرعت خاموش میکند. فنری که به کلید وصل است آنرا به حالت اول برگردانده و آنرا دوباره روشن می کند، این فرآیند تکرار شده و برای همیشه ادامه می یابد.

انواع مبدل الکتریکی

اگر شما جریان DC را خاموش و روشن کنید، یا آنرا جلو و عقب کرده و مسیر جریان نیز برعکس کنید، نتیجه کار شما تغییر ناگهانی جریان خواهد بود: همه در یک جهت، همه در جهت دیگر، و دوباره برعکس. نمودار جریان زمان یا ولتاژ زمان را برای این حالت رسم کنید، نتجه امواج مربعی خواهد بود. اگرچه عملاً چیزی که بدست آمده یک جریان متناوب است ولی با آنچه که در خانه ها استفاده میشود کاملا متفاوت است. زیرا جریان برق متناوب خانگی به شکل یک موج سینوسی بسیار نرم تغییر می کند. بطور کلی وسایل سنگین در خانه ما که انرژی خام مصرف میکنند(وسایلی از قبیل گرم کنندهای الکتریکی، لامپهای رشته ای، کتریها یا فریزرها) برایشان مهم نیست که موجی که دریافت می کنند چه شکلی است: کل چیزی که می خواهند انرژیست و مقدار زیاد انرژی و در واقع موج مربعی شکل آنها را اذیت نمی کند. از سویی دیگر، برای وسایل الکترونیکی جریان ورودی با امواج هموار سینوسی مناسبتر است.

این موضوع توضیح می دهد که چرا دو نوع مبدل الکتریکی با کارآیی مختلف داریم: مبدل های موج سینوسی واقعی/کامل(بطور خلاصه PSWها) و مبدل های موج شبه سینوسی یا اصلاح شده(یا MSWها). همانطور که از اسمشان پیداست، مبدل های واقعی برای تامین برق خانگی از ترانسفورمرهای طردلی(حلقوی شکل) و یک مدار الکترونیکی، جهت تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب که به آرامی تغییر می کند و شبیه موج سینوسی واقعی است، استفاده می کنند. آنها میتوانند انرژی مورد نیاز هرگونه وسیله الکتریکی را، که به برق AC نیاز دارد، از طریق منبع برق DC تامین کنند. مثل تلویزیون، کامپیوتر، رادیو، بازیهای ویدئویی و استریوها. از طرف دیگر، مبدل های موج سینوسی اصلاح شده که از اجزای الکترونیکی نسبتاً ارزانتر ساخته شده اند(تریستورها، دیودها و دیگر اجزای ساده) یک نوع موج تقریباً مربعی شکل(نسبت به موج سینوسی خیلی ناهموارترند که به آن موج مربع گردشده هم می گویند) تولید می کنند، که برای ارسال انرژی به وسایل الکتریکی سنگین مناسب هستند ولی می توانند برای وسایل الکترونیکی ظریف(یا هر وسیله ای که دارای کنترلر الکترونیکی یا ریزپردازنده باشد) مشکلاتی را بوجود بیاورند. همچنین، اگر بهش فکر کرده باشید، امواج تقریباً مربعی شکل در کل نسبت به امواج کاملا سینوسی انرژی بیشتری را انتقال می دهند(سطح زیر نمودار مربعی شکل بیشتر از سینوسی است)، در نتیجه خطر گرمای بیش از حد در استفاده از مبدلهای MSW وجود دارد. در عوض این قبیل مبدلها نسبت به مبدل های موج سینوسی بسیار ارزانتر بوده و بطور موثرتری عمل خواهد کرد (این امر برای زمانی که شما بخواهید از یک منبع محدود مثل باتری استفاده کنید بسیار مهم است، زیرا موجب می شود که باتری دوام بیشتری داشته باشد).

اگرچه بسیاری از مبدلها بعنوان واحدهای مستقلی کار میکنند، با ذخیره باتری، که در کل مستقل از شبکه برق هستند، دیگر مبدل ها(تحت عنوان مبدل های تعامل ابزاری utility-interactive inverters یا مبدل های متصل به شبکه grid-tied inverters) مخصوصا به گونه ای طراحی شده اند که همیشه به شبکه برق متصل باشند، که معمولاً از آنها برای انتقال برق در همان ولتاژ و فرکانس از چیزهایی مانند صفحاتی خورشیدی به شبکه برق استفاده می شود. اگر هدف اصلی شما تولید انرژی الکتریکی شخصی است این قبیل مبدل ها گزینه های بی نظیری هستند. اگر شما میخواهید گاهی اوقات از شبکه اصلی برق جدا شده یا میخواهید یک منبع انرژی در زمانی قطعی برق داشته باشید این مبدل ها مفید نیستند، زیرا اگر ارتباط شما با شبکه اصلی قطع شود و شما نتوانید خودتان بطور مستقل برق تولید کنید مبدل نیز از کار افتاده و شما دیگر هیچ گونه منبع انرژی نخواهید داشت. به همین دلیل بسیاری از مردم از مبدلهای دوفازی  bimodal یا دوکاره  birectionalاستفاده می کنند، که هم بصورت مستقل و هم بصورت متصل به شبکه کار می کنند. بعلت اینکه این مبدل ها قطعات و اجزای اضافی دارند، طبیعتاً حجیم تر و گرانتر خواهند بود.

مبدل ها چه شکلی هستند؟

مبدل ها میتوانند بسیار بزرگ و حجیم باشند، مخصوصا اگر دارای باتری داخلی باشند که در اینصورت بطور مستقل عمل خواهند کرد. آنها معمولاً گرمای زیادی تولید میکنند که به همین دلیل دارای پرهای فلزی (برای دفع گرمای بهتر) و همچنین فن های خنک کننده هستند. یک مبدل معمولی به اندازه باتری ماشین یا شارژر باتری ماشین بوده ولی مبدل های بزرگتر تا حدودی ظاهری شبیه منبع ذخیره باتری ماشین در یک جعبه عمودی دارند. کوچکترین مبدلها جعبه های قابل حمل هستند که به اندازه رادیوی ماشین بوده و شما می توانید آنرا به سوکت فندک ماشین خود وصل کرده و برای شارژ لپ تاپ یا گوشی همراهتان برق AC تولید کنید.

همانطورکه وسایل خانگی براساس توان مصرفی متفاوت هستند، مبدل ها نیز براساس مقدار توان تولیدی با هم متفاوت هستند. معمولاً، برای رعایت احتیاط شما به مبدلی نیاز دارید که توان خروجی آن در حدود یک چهارم بیشتر از توان ماکزیمم وسیله ای باشد که شما می خواهید روشن کنید. این امر بخاطر این است که برخی از وسایل(مانند یخچال و فریزرها یا لامپ های فلوئورسنس) در لحظه روشن شدن حداکثر توان مصرفی را دارند. اگرچه مبدل ها میتوانند حداکثر توان را در یک دوره کوتاه زمانی تولید کنند، بهتر است توجه کنید که آنها برای تولید توان حداکثر در یک دوره طولانی طراحی نشده اند.