Električna teorija avtomobilskega zvoka – kapacitivnost in induktivnost
Ko se bližamo koncu naše razprave o električni teoriji avtomobilskega zvoka, moramo govoriti o kapacitivnosti in induktivnosti ter o tem, kako značilnosti teh pojavov medsebojno delujejo s signali AC in DC. Nobenega dvoma ni, da gre za napredne koncepte, vendar je celo osnovno razumevanje delovanja kondenzatorjev in induktorjev bistveno za temeljito razumevanje sistemov mobilne elektronike.
Kaj je kondenzator?
Kondenzator je elektronska komponenta z dvema priključkoma, ki shranjuje energijo. Kondenzatorji so izdelani iz dveh kovinskih plošč, ki sta ločeni z električnim izolatorjem. Ko priključimo napetost na en priključek kondenzatorja, bodo elektroni na eni plošči prisilili nasprotno ploščo, da ustvarijo nasprotni naboj. Posledica tega je, da imajo plošče enake in nasprotne naboje in tako vzdržujejo električno polje. Ker so plošče v kondenzatorju zelo blizu skupaj, lahko shranijo veliko količino energije za svojo skupno velikost.
Kondenzatorji so kvantificirani v enotah faradi. Farad je definiran kot en kulon naboja na vsaki plošči, kar povzroči napetost enega volta na sponkah.
Kondenzatorji v enosmernih tokokrogih
Kondenzatorji so v svoji najosnovnejši funkciji naprava, ki shrani mikroskopsko magnetno polje med svoje plošče. Ko izpraznjenemu kondenzatorju priključimo enosmerno napetost, se ta za trenutek pojavi kot kratek stik, saj se med njegovimi ploščami začneta tvoriti magnetno in električno polje. Ko kondenzator začne shranjevati energijo, se njegov efektivni upor poveča in količina toka, ki teče skozi napravo, se zmanjša. Ko se kondenzator izenači z napajalno napetostjo, tok skoraj ne teče skozi napravo.
Ko odstranimo napajalno napetost iz kondenzatorja, bo poskušal vzdrževati napetost na sponkah. Zaradi te lastnosti so kondenzatorji idealna rešitev za zmanjšanje nihanj napetosti. Kondenzatorji so odporni na spremembe napetosti.
Znotraj ojačevalnikov v naših avtomobilskih avdio sistemih se kondenzatorji uporabljajo za shranjevanje velikih količin energije pri napetosti tirnice. Ko pride do nenadnega povpraševanja po toku, ki presega zmogljivost napajanja, bodo kondenzatorji sprostili energijo, da ohranijo svojo začetno napetost. Ta lastnost pomaga stabilizirati napetost ojačevalnika med dinamičnimi prehodi. Isti koncept velja za "ojačitvene kondenzatorje", ki se uporabljajo za 12-voltno napajanje vašega ojačevalnika. Pri izvedbi z visokokakovostnimi komponentami lahko dodatek velikega kondenzatorja pomaga zagotoviti prehodni tok ojačevalniku.
Kondenzator v tokokrogih AC
V tokokrogih izmeničnega toka kondenzatorji prevzamejo zanimiv pojav »navideznega upora«. Kot vemo, kondenzatorji ne marajo spreminjati napetosti, vendar je signal AC tisti, ki je opredeljen kot nenehno spreminjajoč se. Odvisno od razmerja med vrednostjo kondenzatorja in frekvenco signala izmeničnega toka lahko določena količina toka teče skozi pokrovček.
Če poskusimo izmeriti upornost kondenzatorja z običajnim multimetrom, bomo ugotovili, da kaže izjemno visoko vrednost. Za AC signale uporabljamo formulo Xc =1 / (2 x 3,1416 x F x C) za izračun efektivnega upora, kjer je F frekvenca signala, C pa vrednost kondenzatorja v faradih. Ker ta upor ni prisoten v enosmernih signalih, ga imenujemo kapacitivna reaktanca.
Če bi želeli ustvariti preprosto filtrirno vezje za omejitev količine nizkofrekvenčnega signala, ki gre v zvočnik, bi lahko z zvočnikom zaporedno povezali nepolariziran kondenzator. Za izračun frekvence, pri kateri pokrov začne zmanjševati nizke tone, ki gredo v zvočnik, lahko zgornjo enačbo preuredimo v F =1 / (2 x 3,1416 x R x C), kjer je R enaka vrednosti kot upor zvočnika. Za štiriohmski zvočnik in kondenzator z vrednostjo 200 uF (mikrofaradov) dobimo frekvenco 198,9 Hz. Pri tej frekvenci se zdi, da ima kondenzator enako reaktanco kot zvočnik, signal, ki gre v zvočnik, pa se zmanjša za 50 odstotkov. Ker je kapacitivnost obratno sorazmerna s frekvenco, se impedanca kondenzatorja poveča, ko frekvenca pada. Pri 99 Hz je reaktanca 8 ohmov, pri 50 Hz 16 ohmov in tako naprej. Ta pojav hkrati zmanjša tok, ki ga dovaja ojačevalnik, in deluje kot napetostni delilnik med pokrovčkom in zvočnikom.
Kondenzator v seriji z zvočnikom je znan kot visokofrekvenčni filter prvega reda. Zmanjša izhodno moč zvočnika s hitrostjo -6dB na oktavo, ko se oddaljite od frekvence križanja, kot je definirano zgoraj. Kondenzatorji so primerni kot filtri za srednjetonske in visokofrekvenčne gonilnike v pasivnih izvedbah in kot zaščitne naprave za visokotonske zvočnike v aktivnih izvedbah.
Kaj je induktor?
Najenostavneje povedano, induktor je tuljava žice, ki ustvarja magnetno polje glede na količino toka, ki teče skozi. Številni induktorji imajo železna jedra za povečanje intenzitete magnetnega polja. Kjer se kondenzator upira spremembam napetosti, se induktor upira spremembam tokovnega toka. Iz prejšnjega članka o magnetizmu vemo, da tok, ki teče skozi prevodnik, ustvarja magnetno polje okoli tega prevodnika. Če prevodnik ovijemo v zanko, bližina zank ena drugi okrepi magnetno polje.
Tudi iz našega prejšnjega članka vemo, da lahko magnetno polje povzroči napetost na prevodniku. Če se poskuša tok v induktorju spremeniti, poskuša magnetno polje ustvariti napetost v napravi, da ohrani pretok toka.
Dobra analogija za induktor je vztrajnik na motorju. Ko določite določeno hitrost vrtenja, je potrebno veliko dela, da povečate ali zmanjšate njeno hitrost. Induktorji delujejo na enak način s tokom. Upirajo se spremembam toka. Induktorji so ocenjeni z uporabo enote henry (H). Henry je definiran kot nasprotovanje električnemu toku, ki teče skozi napravo, zaradi česar se na sponkah pojavi en volt elektromotorne sile.
Induktorji v električnih vezjih
V večini aplikacij ne želimo induktorjev v tokokrogu 12 V DC, ker se upirajo spremembam tokovnega toka. Za spremenljivo obremenitev, kot je ojačevalnik, bi velika količina induktivnosti v napajalni napeljavi povzročila nestabilno napajalno napetost, ko se trenutne zahteve spreminjajo.
V nekaterih primerih se induktorji uporabljajo v kombinaciji s kondenzatorjem, da delujejo kot filter za hrup.
V izmeničnem tokokrogu induktorji omogočajo, da nizkofrekvenčni signali prehajajo skozi napravo z malo ali brez učinka. Če zaporedno povežemo induktor z zvočnikom, ta deluje kot visokofrekvenčni filter. Za razliko od kondenzatorja se v enosmernem tokokrogu induktor pojavi kot kratek stik z zelo majhnim uporom. Za izmenični signal lahko izračunamo reaktivno induktivnost kondenzatorja z enačbo Xl =1 x 3,1416 x F x L, kjer je F frekvenca in L induktivnost v henrijih.
Če želimo uporabiti induktor kot visokofrekvenčni filter, lahko določimo efektivno točko prehoda tako, da zamenjamo Xl za upornost zvočnika. V tem primeru bomo uporabili induktor z vrednostjo 6 mH (milihenrijev) in zvočnik z nazivno impedanco 4 ohme. Tam bi bila točka -3dB vezja filtra F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006) ali 106,1 Hz. Ta vrednost induktorja bi bila dober nizkopasovni filter za nizkotonec. Enako kot pri kondenzatorju v seriji z zvočnikom, induktor deluje kot filter prvega reda in zmanjša izhod s hitrostjo -12 dB na oktavo, ko frekvenca narašča od križišča.
Drugi primeri induktivnosti in kapacitivnosti
Kadarkoli sta dva prevodnika vzporedna drug z drugim in v neposredni bližini, obstaja določena stopnja kapacitivnosti. Mnogi pretirano razposajeni navdušenci govorijo o kapacitivnosti v povezovalnih kablih. Čeprav je to dejavnik, se mikroskopske spremembe (če so sploh zaznavne) lahko kompenzirajo med procesom prilagajanja sistema. Ko gre za nakup visokokakovostnih medsebojnih povezav, morata biti zavrnitev šuma in splošna trajnost zasnove vaš glavni cilj.
Navitje zvočne tuljave v zvočnikih, ki jih uporabljamo, ima določeno induktivnost. Ta lastnost zmanjša visokofrekvenčni izhod z zmanjšanjem pretoka toka pri visokih frekvencah. Ker so zvočniki dinamični, se njihovi parametri spreminjajo s premikanjem stožca zvočnika. Na enak način, kot železno jedro v induktorju poveča induktivnost v primerjavi z zasnovo z zračnim jedrom, se induktivnost zvočne tuljave poveča, ko se sklop stožca premakne nazaj v košaro. T-jarem v sredini zvočnika poveča moč magnetnega polja, ki ga ustvari tok v zvočni tuljavi. Podobno, ko se zvočnik premika naprej, se induktivnost zmanjšuje. Ta popačenja induktivnosti, ki temeljijo na položaju, lahko povzročijo učinek visokofrekvenčnega tresenja, ki lahko škoduje reprodukciji vaše glasbe. Ena od rešitev je uvedba zasnove zvočne tuljave pod obešanjem, kjer je reža višja od navitja tuljave. Pomanjkljivost te zasnove je, da je glasovna tuljava pogosto majhna in nima dovolj moči. Druga možnost je vključitev bakrene kapice pola za zmanjšanje magnetnega polja in minimiziranje popačenja. Bakrena kapica je draga možnost, vendar ponuja odlične prednosti pri delovanju.
Električna teorija avtomobilskega zvoka
Za zdaj je to konec naše serije člankov o električni teoriji avtomobilskega zvoka. Upamo, da ste uživali v spoznavanju fizike, ki stoji za delovanjem vašega avtomobilskega avdio sistema. Naš cilj je poučiti navdušence, da bodo lahko opravili poučene nakupe in nadgradnje svojega mobilnega zvočnega sistema. Če imate kakršna koli vprašanja, se obrnite na lokalnega prodajalca mobilne elektronike. Pomagajo vam lahko oblikovati nadgradnjo, ki bo vašo vožnjo resnično spremenila v prijetno izkušnjo poslušanja.