Электротеория автомобильной аудиосистемы — расчет работы и мощности в цепях постоянного тока

В нашей продолжающейся серии статей об электрической теории автомобильной аудиосистемы мы собираемся представить концепцию источников питания переменного тока и сигналы. Понимание основ AC имеет решающее значение для понимания того, как работает мобильная аудиосистема. В этой статье используется множество ссылок на системы подачи электроэнергии, используемые в наших домах и офисах, чтобы помочь получить базовое представление о цепях переменного тока. Мы будем опираться на эту основу в этой и последующих статьях, чтобы лучше понять сложности систем кондиционирования воздуха.

Разница между переменным и постоянным током

Напряжение, создаваемое электрической системой наших автомобилей, называется постоянным током. Электроны текут в одном направлении от одной клеммы батареи к другой (кроме случаев, когда мы перезаряжаем батарею). Несмотря на изменения уровня напряжения, когда мы добавляем нагрузки в цепь или когда генератор переменного тока начинает заряжать аккумулятор, направление тока, протекающего к электрическим и электронным устройствам в автомобиле, никогда не меняется.

И наоборот, мощность, поставляемая вашей местной электрической компанией для освещения и приборов в наших домах и на работе, называется переменным током. Такое название он получил потому, что поток электронов меняет направление 60 раз в секунду. Да, это звучит странно. Кто хотел бы, чтобы их сила ходила туда-сюда? Не волнуйтесь; мы объясним все это в ближайшее время. Просто продолжайте читать.

Потери мощности в проводах передачи

Исследователи считают, что первым источником электроэнергии был глиняный горшок с оловянными пластинами и железным стержнем. При заполнении кислым раствором, таким как уксус, на металлических клеммах возникнет напряжение. Считается, что эта первая батарея была создана более 2000 лет назад. Все батареи являются источниками питания постоянного тока.

Использование электричества для выполнения работы стало популярным в конце 1800-х годов, и поэтому возникла необходимость в подаче электричества в дома и офисы. Проблема с передачей электроэнергии на большие расстояния заключается в потере напряжения в проводах из-за их сопротивления.

Как мы знаем из закона Ома и расчетов мощности, которые мы недавно обсуждали, мощность в цепи прямо пропорциональна току и напряжению (P =I x V) в цепи. Мощность также пропорциональна квадрату тока в цепи относительно сопротивления (P =I^2 x R). Если мы сможем передавать энергию при большем напряжении и меньшем токе, в проводах передачи будет теряться меньше энергии.

Внедрение переменного тока

Существенным преимуществом источников питания переменного тока в коммерческих и жилых помещениях является простота изменения соотношения между напряжением и током с помощью трансформатора. Трансформатор — это устройство, которое использует магнитные поля для увеличения или уменьшения отношения напряжения к току. Например, идеальный трансформатор 2:1 преобразует 10 вольт и 5 ампер переменного тока в 5 вольт и 10 ампер.

Джорджу Вестингаузу приписывают популяризацию подачи электроэнергии переменного тока в дома благодаря заключению контракта на поставку электроэнергии для освещения Колумбийской выставки Всемирной выставки 1893 года. Вестингауз использовал трансформаторы на основе патентов, которые он приобрел у Люсьена Голара и Джона Диксона Гиббса. Голар и Гиббс изобрели трансформатор в Лондоне в 1881 году.

Выходная мощность генератора атомной, угольной или гидроэлектростанции составляет от 20 до 22 киловольт. Это напряжение повышается от 155 000 до 765 000 вольт с помощью трансформатора для распределения по штату или провинции. В большинстве высоковольтных опор, которые вы видите вдоль шоссе или на полянах, по трем силовым проводникам проходит около 500 000 вольт.

В каждом городе или его части будет электрическая подстанция определенного типа, на которой электричество от этих высоковольтных линий понижается до более низкого напряжения для распределения по разным районам. Эти напряжения обычно находятся в диапазоне 16 кВ, чтобы поддерживать адекватный уровень эффективности передачи на этих коротких и умеренных расстояниях. Трансформаторы в ограждениях на обочине дороги или под землей преобразуют это напряжение в 120 В, которое подается на электрические панели в наших домах.

В качестве примера давайте рассмотрим 1 милю многожильного кабеля 8 AWG. Согласно стандарту American Wire Gauge, 1 миля медного провода калибра 8 AWG будет иметь максимальное сопротивление 3,782 Ом и идеальное сопротивление 3,6 Ом.

Если мы хотим, чтобы 5000 Вт энергии передавались по этой миле кабеля, то часть энергии будет теряться на сопротивление в кабель. Если мы будем передавать нашу мощность на 240 вольт, по кабелю будет течь ток 20,83 ампера. При сопротивлении 3,6 Ом сам кабель вызывает потери 1562,5 и мы теряем 75 вольт по кабелю. Очевидно, что передача низковольтного сигнала на большие расстояния не работает.

Если мы увеличим напряжение до 16 000 вольт, потери мощности в кабеле упадут до 0,3125 Вт, и мы потеряем в кабеле только 1,125 вольт.

Высоковольтные линии электропередачи — это то, как электрические компании могут передавать мегаватты электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями мощности. При напряжении 500 000 вольт мы можем передать 1 мегаватт электроэнергии на 100 миль и потерять только 720 вольт. Это 0,144 процента!

Хорошо, хватит о соотношении мощности переменного тока и напряжения. Давайте поговорим об аудиосистемах.

Первый взгляд на аудиосигналы

В отличие от сигнала переменного тока с частотой 60 Гц, который питает наши дома, аудиосигналы содержат информацию о напряжении, которая имитирует изменения атмосферного давления, которые мы воспринимаем как звук. В большинстве случаев звуки записываются с помощью микрофона, который работает по принципу, противоположному динамику. Звуковая энергия перемещает небольшую диафрагму, включающую в себя катушку из проволоки. Катушка проволоки движется мимо неподвижного магнита. Движение катушки через магнитное поле индуцирует напряжение в проводе. Расстояние, на которое перемещается диафрагма, определяет амплитуду сигнала напряжения. Более громкие звуки производят более высокое напряжение.

Ниже приведено изображение звуковой волны, видимой на осциллографе. Говорящий произнес слово «аудио».

Понимание мощности в цепях переменного тока

Основная концепция мощности в цепи переменного тока такая же, как и в цепи постоянного тока, но необходимо выполнить некоторые расчеты, прежде чем мы сможем применить закон Ома. Мы рассмотрим бытовую электросеть 120 В, 60 Гц, чтобы объяснить математику простыми словами.

Чтобы измерить мощность, нам нужно посмотреть на объем работы, выполненной за определенный период. В случае лампочки, подключенной к розетке, нити накала не важно, в каком направлении течет ток, но количество создаваемого света и тепла зависит от амплитуды подаваемого напряжения. Работа, совершаемая лампочкой, рассчитывается по количеству электронов, прошедших через лампочку за заданный промежуток времени.

Чтобы определить работу, выполняемую переменным напряжением, нам нужно рассчитать значение этого сигнала, который выполняет ту же работу, что и постоянное напряжение. Это значение называется RMS или среднеквадратичным значением и составляет 1/sqrt 2 или 0,70711 для синусоидальных волн. Для нашего 120-вольтового питания, выходящего из стены, 120-вольтовое напряжение является среднеквадратичным значением. Пиковое напряжение составляет около 167,7 вольт. Чтобы было ясно, значение 0,70711 работает только для синусоидального сигнала. Среднеквадратичное значение прямоугольной волны равно 1,0, а симметричной треугольной волны — 0,577.

По определению среднеквадратичное напряжение переменного тока может выполнять тот же объем работы, что и постоянное напряжение той же величины.

На изображении ниже показан один цикл синусоидальной формы волны. Пиковое напряжение составляет 167,7 В, а две оранжевые линии определяют среднеквадратичное значение 120 В.

Основные сведения об источниках переменного тока и сигналах

Для этой статьи вывод заключается в том, что звуковые волны на проводах предварительного усилителя и динамиков в нашей стереосистеме представляют собой сигналы переменного тока. В следующей статье мы более подробно обсудим понятие частоты и амплитуды.