L’inverter è un dispositivo elettronico in grado di trasformare una corrente continua in una corrente alternata, con caratteristiche di ingresso e di uscita variabili. Grazie agli inverter oggi è possibile alimentare un carico di potenza, funzionante normalmente in casa, con la batteria dell’automobile. In questa maniera gli utenti possono utilizzare qualsiasi elettrodomestico in campeggio o al mare, anche non disponendo di una normale utenza di rete elettrica alternata. Un tipico esempio di utilizzo dell’inverter è quello che prevede il funzionamento di un televisore in aperta campagna, con la sola presenza della batteria di una automobile.

Con l’inverter la corrente alternata è disponibile sempre e ovunque

Se occorre alimentare un elettrodomestico funzionante a 230 VAC (50 Hz) ma non è disponibile una presa elettrica domestica con tale tensione, occorre usare un inverter e un generatore di corrente continua come, ad esempio, una batteria per automobile da 12 V o una grossa pila elettrica o, addirittura, un adeguato pannello solare. Questi dispositivi sono molto usati, infatti, in abbinamento ai pannelli fotovoltaici nei siti dove non è presente la corrente alternata, e il loro utilizzo sta aumentando di giorno in giorno (vedi un esempio di inverter in figura 1).

Figura 1: un esempio di inverter da 200 W

A seconda della tipologia di segnale generato, esistono diversi modelli di inverter come, ad esempio:

• inverter a onda quadra;
• inverter a onda sinusoidale modificata;
• inverter a onda sinusoidale pura.

Il confronto e la tensione di riferimento di tali uscite è effettuato con la tensione domestica, che ha una forma perfettamente sinusoidale. Le forme d’onda generate dagli inverter possono essere generalizzate mediante equazioni. Per questo motivo, è possibile costruire inverter digitali che riproducano il segnale mediante circuiti DAC. I grafici riprodotti in figura 2 mostrano alcune forme d’onda alternate, generate da diversi tipi di inverter e alla frequenza di 50 Hz. Pertanto l’utente dovrebbe verificare di persona il segnale d’uscita del dispositivo, in dipendenza del carico che egli intende alimentare. Tale controllo può essere effettuato con un buon oscilloscopio, ricordando di utilizzare adeguati partitori per far rientrare il valore della tensione all’interno dell’intervallo sopportato dallo strumento di misura. E’ possibile anche utilizzare, in aggiunta, un buon analizzatore di spettro, per verificare la presenza di armoniche nel segnale.

Figura 2: alcuni segnali a 50 Hz generati da diversi inverter

Se il carico da alimentare è puramente resistivo, e non è di elevato valore economico, l’utente può usare tranquillamente un inverter a onda quadra. Infatti, il carico resistivo non necessita una particolare forma d’onda, l’importante è che ai suoi capi vi sia una idonea potenza. In alcuni casi, addirittura, è possibile utilizzare una tensione continua e il risultato è il medesimo. Si pensi, ad esempio, alle lampadine a incandescenza al tungsteno. Esse si accontentano di qualunque tipologia di segnale elettrico. Se, invece, il carico è induttivo o capacitivo, occorre un segnale che si avvicini il più possibile all’onda sinusoidale, in caso contrario essi potrebbero funzionare male e generare un rumore di fondo, pari a quello della frequenza di rete. Il miglior dispositivo per la generazione di energia è, ovviamente, l’inverter a onda sinusoidale pura. Esso è adatto per alimentare qualsiasi tipo di carico in quanto il segnale riprodotto segue fedelmente la forma di un’onda sinusoidale. Ovviamente questi tipi di inverter sono più complessi e costano molto. Relativamente alle forme d’onda della precedente immagine, è possibile stabilire le equazioni matematiche che stanno alla base di esse, sempre per la frequenza di 50 Hz.

Si noti che la funzione Sign(x) restituisce -1 se x è negativo, +1 se x è positivo e 0 se x è zero. Tra queste forme d’onda, ovviamente quella pura è rappresentata dal segnale sinusoidale, che non contiene alcun tipo di distorsione. Nella seguente tabella è possibile osservare il dettaglio delle percentuali di distorsione, caratterizzando le varie forme d’onda:

Dalla tabella si comprende subito come una forma d’onda diversa da quella sinusoidale sia molto problematica, specialmente per i carichi di una certa importanza.

Il funzionamento di un inverter

L’inverter è un dispositivo che trasforma l’energia da una forma a un’altra, in quanto genera, in uscita, una corrente alternata da una corrente continua in ingresso. Il dispositivo utilizza un trasformatore che produce una corrente alternata indotta, grazie al campo magnetico variabile prodotta da un’altra bobina. Se la bobina è attraversata da una corrente elettrica alternata essa produce un campo magnetico. Se la direzione della corrente cambia, la polarità del campo magnetico cambia. La bobina secondaria del trasformatore può produrre tensioni diverse rispetto alla bobina primaria, cambiando le caratteristiche di tali induttori. Se un opportuno circuito elettronico di potenza si abbina al trasformatore, facendo cambiare continuamente e rapidamente direzione alla corrente (50 Hz o 60 Hz), si può realizzare un semplice inverter che produce un’onda quadra. La frequenza del segnale in uscita dipende da come la corrente scorre sulla bobina primaria. Per permettere alla corrente di cambiare molto velocemente la sua direzione occorre utilizzare opportuni interruttori elettronici a semiconduttore come, ad esempio, i transistor, gli IGBT o i più recenti MOSFET.

Inverter a onda quadra

Si tratta di un dispositivo che genera, come detto prima, un segnale alternato quadrato, per cui la maggior parte dei carichi a 230 VAC non accetta tale forma d’onda. Con tale inverter è possibile alimentare una antica lampadina a incandescenza, un piccolo riscaldatore a resistenza o un saldatore a stagno da pochi Watt. Per tale motivo esso non è molto utilizzato ma la sua realizzazione può essere utile per comprendere il principio di funzionamento di tale tipologia di trasformazione dell’energia. A causa di fenomeni di ritorno di reattanza, esso può riscaldare parecchio. In figura 3 è possibile osservare uno schema generico di un semplice inverter a onda quadra. Le sue prestazioni sono alquanto basse e la distorsione armonica prodotta arriva anche al 42%. Il circuito utilizza un multivibratore astabile per pilotare la bobina primaria del trasformatore. La tipica frequenza di oscillazione è di circa 50 Hz e per modificarla occorre cambiare il valore dei condensatori C1 e C2 e dei resistori R1 e R2. Come si vede dallo spettrogramma in figura, il segnale di uscita è ricco di armoniche e non è possibile alimentare carichi capacitivi e induttivi ma solo quelli resistivi. La potenza dell’inverter è determinata dai due transistor e dal trasformatore.

Figura 3: un semplice inverter a onda quadra

Il suo funzionamento è abbastanza semplice: quando il primo transistor è chiuso per un tempo pari a T/2, la tensione istantanea sul carico è V/2. Quando, invece, il secondo transistor è chiuso per un tempo pari a T/2, la tensione istantanea sul carico è -V/2. Il progettista deve fare in modo che i due transistor non siano mai chiusi contemporaneamente. Se il carico è induttivo, la corrente non può seguire immediatamente la stessa forma d’onda della tensione, per cui si capisce subito che tale tipologia di inverter deve essere usata solo per i carichi resistivi e non per i carichi induttivi e capacitivi.

Altre tipologie di inverter

Per produrre un’onda sinusoidale all’ingresso della bobina primaria è necessario utilizzare un opportuno oscillatore. Ovviamente esso fornisce una corrente molto bassa non sufficiente a pilotare direttamente la bobina principale. La corrente, dunque, deve essere amplificata in modo da poter pilotare la bobina primaria del trasformatore. Con quest’ultimo componente la tensione può essere aumentata a discapito della corrente e viceversa, ma la potenza (Volt x Ampere) resta sempre la stessa. Solitamente la generazione di onde complesse è affidata ai microcontrollori, tramite tecnica PWM. A seconda della risoluzione del dispositivo, la sinusoide può essere generata con un numero diverso di bit e tale possibilità cambia molto il prezzo finale dell’inverter. La figura 4 mostra i diversi tipi di sinusoidi generate usando risoluzioni di 2 bits, 3 bits, 4 bits e 6 bits, per una tensione generica compresa tra 0 V e +5 V e una frequenza di 50 Hz, in relazione anche alla seguente tabella.

Il segnale sinusoidale inizia a essere accettabile per risoluzioni maggiori o uguali a 6 bits. Con risoluzioni ancora maggiori i risultati sono molto professionali e si avvicinano ai valori di idealità ma aumentano, in egual misura, le complessità hardware e software e i costi relativi. Con una risoluzione PWM maggiore di 8 bit, poi, l’occhio umano non riesce a percepire “l’effetto scalino” dell’approssimazione dei vari campioni. E’ del tutto plausibile che, aumentando la risoluzione di lavoro del PWM, diminuisce proporzionalmente il tasso di distorsione del segnale generato, con la presenza di un numero molto minore di armoniche superiori.

Figura 4: segnali sinusoidali generati con diverse risoluzioni

La seguente tabella mostra le distorsioni medie delle forme d’onda generate dall’inverter, visualizzate nel precedente grafico.

Conclusioni

In questa prima parte dell’argomento sugli inverter abbiamo esaminato il funzionamento e gli aspetti positivi del dispositivo a onda quadra. Il prossimo articolo, invece, osserverà più da vicino la teoria e la pratica degli inverter più complessi, con una relativa generazione di una segnale molto più performante e vicina alla sinusoide.