Električna teorija avtomobilskega zvoka – Izračun dela in moči v tokokrogih enosmernega toka
V naši tekoči seriji člankov o električni teoriji avtomobilskega zvoka bomo predstavili koncept virov izmeničnega toka in signali. Razumevanje osnov AC je ključnega pomena za razumevanje delovanja mobilnega avdio sistema. Ta članek uporablja veliko sklicevanj na sisteme za dostavo električne energije, ki se uporabljajo v naših domovih in pisarnah, da bi lažje razumeli tokokroge AC. V tem in naslednjih člankih bomo gradili na tej podlagi, da bi lažje razumeli zapletenost sistemov AC.
Razlika med AC in DC
Napetost, ki jo proizvaja električni sistem v naših vozilih, se imenuje enosmerni tok. Elektroni tečejo v eni smeri od enega terminala akumulatorja do drugega (razen ko polnimo akumulator). Medtem ko pride do sprememb v napetostnem nivoju, ko dodajamo obremenitve v tokokrog ali ko alternator začne polniti baterijo, se smer toka toka do električnih in elektronskih naprav v vozilu nikoli ne spremeni.
Nasprotno pa se energija, ki jo dobavlja vaše lokalno električno podjetje za pogon luči in naprav v naših domovih in na delovnem mestu, imenuje izmenični tok. To ime ima, ker tok elektronov spremeni smer 60-krat na sekundo. Da, to se sliši čudno. Kdo bi želel, da se njihova moč vrti naprej in nazaj? Ne skrbite; vse bomo razložili v kratkem. Samo nadaljujte z branjem.
Izguba moči v prenosnih žicah
Raziskovalci menijo, da je bil prvi vir električne energije glinen lonec, ki je vseboval kositrne plošče in železno palico. Če bi ga napolnili s kislo raztopino, kot je kis, bi na kovinskih sponkah nastala napetost. Prepričanje je, da je bila ta prva baterija ustvarjena pred več kot 2000 leti. Vse baterije so viri enosmernega toka.
Uporaba električne energije za opravljanje dela je postala priljubljena v poznih 19. stoletjih in kot taka je postala potreba po dostavi električne energije v domove in pisarne nujna. Težava pri prenosu električne energije na velike razdalje je izguba napetosti v žicah zaradi njihovega upora.
Kot vemo iz Ohmovega zakona in izračunov moči, o katerih smo nedavno razpravljali, je moč v vezju neposredno sorazmerna s tokom in napetostjo (P =I x V) v vezju. Moč je tudi sorazmerna s kvadratom toka v vezju glede na upor (P =I^2 x R). Če lahko prenašamo moč z več napetosti in manj toka, se v žicah za prenos porabi manj energije.
Prevzem izmeničnega toka
Pomembna prednost napajalnikov z izmeničnim tokom v komercialnih in stanovanjskih aplikacijah je, da je z uporabo transformatorja enostavno spremeniti razmerje med napetostjo in tokom. Transformator je naprava, ki uporablja magnetna polja za povečanje ali zmanjšanje razmerja med napetostjo in tokom. Na primer, idealen transformator 2:1 bi pretvoril 10 voltov in pet amperov izmeničnega toka v pet voltov in 10 amperov.
George Westinghouse je zaslužen za popularizacijo dobave izmeničnega toka v domove, zahvaljujoč temu, da mu je bila dodeljena pogodba za dobavo električne energije za osvetlitev kolumbijske razstave na svetovnem sejmu leta 1893. Westinghouse je uporabil transformatorje na podlagi patentov, ki jih je kupil od Luciena Gaularda in Johna Dixona Gibbsa. Gaulard in Gibbs sta leta 1881 v Londonu izumila transformator.
Izhodna moč generatorja v jedrski elektrarni, elektrarni na premog ali hidroelektrarni je 20 do 22 kilovoltov. Ta napetost se poveča na med 155.000 in 765.000 voltov z uporabo transformatorja za distribucijo po državi ali provinci. Večina visokonapetostnih stolpov, ki jih vidite ob avtocesti ali na jasah, ima približno 500.000 voltov, ki tečejo skozi tri električne vodnike.
Vsako mesto ali del mesta bo imel neko vrsto električne transformatorske postaje, kjer se električna energija iz teh visokonapetostnih vodov zniža na nižje napetosti za distribucijo po različnih soseskah. Te napetosti so običajno v območju 16 kV, da se ohrani ustrezna raven učinkovitosti prenosa na teh kratkih do zmernih razdaljah. Transformatorji v ohišjih ob cesti ali nameščeni pod zemljo pretvarjajo to napetost v 120 V napajanje, ki teče do električnih plošč v naših domovih.
Za primer si poglejmo 1 miljo nasedlega kabla 8 AWG. According to the American Wire Gauge standard, 1 mile of 8 AWG copper wire will have a maximum resistance of 3.782 ohms and an ideal resistance of 3.6 ohms.
If we want 5,000 watts of power delivered through this mile of cable, there will be some energy lost to the resistance in the cable. If we transmit our power at 240 volts, there will be 20.83 amps of current flowing in the cable. With a resistance of 3.6 ohms, the cable itself causes a loss of 1562.5 and we lose 75 volts across the cable. Clearly, low-voltage signal transmission over long distances doesn’t work.
If we increase the voltage up to 16,000 volts, the power loss in the cable drops to 0.3125 watts and we only lose 1.125 volts to the cable.
High-voltage transmission lines are how electric companies can deliver megawatts of electricity over long distances with minimal power loss. At 500,000 volts, we can transmit 1 megawatt of electricity over 100 miles and lose only 720 volts. That’s 0.144 percent!
OK, enough about the relationship of AC power and voltage. Let’s talk about audio systems.
A First Look at Audio Signals
Unlike the 60Hz AC waveform that feeds our homes, audio signals contain voltage information that mimics the changes in air pressure that we would perceive as sound. In most cases, sounds are recorded using a microphone that works in the opposite way a speaker does. Sound energy moves a small diaphragm that includes a coil of wire. The coil of wire moves past a fixed magnet. The motion of the coil through the magnetic field induces a voltage in the wire. The distance the diaphragm moves determines the amplitude of the voltage signal. Louder sounds produce higher voltages.
Below is a picture of an audio waveform as seen on an oscilloscope. The person speaking said the word audio.
Understanding Power in Alternating Current Circuits
The basic concept of power in an AC circuit is the same as for a DC circuit, but some calculations need to be completed before we can apply Ohm’s law. We’ll look at the 120V, 60Hz residential power supply to explain the math in the simplest of terms.
To measure power, we need to look at the amount of work completed over a given period. In the case of a light bulb plugged into an outlet, the filament doesn’t care which direction current is flowing, but the amount of light and heat created depends on the amplitude of the voltage supplied. The work done by the bulb is calculated by the number of electrons that flow through the bulb for a given amount of time.
To determine the work done by an AC voltage, we need to calculate the value of that signal that does the same amount of work as a DC voltage. This value is called the RMS or root mean square value and is 1/sqrt 2, or 0.70711 for sine waves. For our 120V power feed coming out of the wall, 120V volts is the RMS voltage. The peak voltage is about 167.7 volts. To be clear, the value of 0.70711 only works for a sinusoidal waveform. The RMS value of a square wave is 1.0 and for a symmetrical triangle wave is 0.577.
By definition, the RMS AC voltage can perform the same amount of work as DC voltage of the same value.
The image below shows a single cycle of a sinusoidal waveform. The peak voltage is 167.7 volts, and the two orange lines define the RMS value of 120V.
Basic Understanding of Alternating Current Sources and Signals
For this article, the takeaway is that the audio waveforms on the preamp and speaker wires in our stereo system are alternating current signals. In the next article, we will discuss the concept of frequency and amplitude in more detail.