Električna teorija avtomobilskega zvoka – Uvod v izmenični tok

V naši tekoči seriji člankov o električni teoriji avtomobilskega avdio sistema 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 verjamejo, 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. V skladu z ameriškim standardom Wire Gauge bo imela 1 milja bakrene žice 8 AWG največji upor 3,782 ohma in idealni upor 3,6 ohma.

Če želimo 5000 vatov moči, dobavljene po tej milji kabla, bo nekaj energije izgubljeno zaradi upora v kabel. Če svojo moč prenašamo pri 240 voltih, bo v kablu teklo 20,83 ampera toka. Z uporom 3,6 ohmov sam kabel povzroči izgubo 1562,5 in izgubimo 75 voltov po kablu. Jasno je, da nizkonapetostni prenos signala na velike razdalje ne deluje.

Če povečamo napetost na 16.000 voltov, izguba električne energije v kablu pade na 0,3125 vatov in v kablu izgubimo samo 1,125 voltov.

Visokonapetostni daljnovodi so način, kako lahko električna podjetja dostavijo megavate električne energije na velike razdalje z minimalnimi izgubami električne energije. Pri napetosti 500.000 voltov lahko prenesemo 1 megavat električne energije preko 100 milj in izgubimo samo 720 voltov. To je 0,144 odstotka!

V redu, dovolj o razmerju med izmeničnim tokom in napetostjo. Pogovorimo se o avdio sistemih.

Prvi pogled na zvočne signale

Za razliko od valovne oblike 60 Hz AC, ki napaja naše domove, zvočni signali vsebujejo informacije o napetosti, ki posnemajo spremembe zračnega tlaka, ki bi jih zaznali kot zvok. V večini primerov se zvoki posnamejo z mikrofonom, ki deluje v nasprotju z zvočnikom. Zvočna energija premika majhno diafragmo, ki vključuje tuljavo žice. Tuljava žice se premika mimo fiksnega magneta. Gibanje tuljave skozi magnetno polje inducira napetost v žici. Razdalja, ki jo premakne diafragma, določa amplitudo napetostnega signala. Glasnejši zvoki povzročajo višje napetosti.

Spodaj je slika zvočne valovne oblike, kot jo vidimo na osciloskopu. Oseba, ki je govorila, je izgovorila besedo zvok.

Razumevanje moči v tokokrogih z izmeničnim tokom

Osnovni koncept moči v tokokrogu AC je enak kot pri tokokrogu enosmernega toka, vendar je treba opraviti nekaj izračunov, preden lahko uporabimo Ohmov zakon. Ogledali si bomo stanovanjski napajalnik 120 V, 60 Hz, da bi na najpreprostejši način pojasnili matematiko.

Za merjenje moči moramo pogledati količino opravljenega dela v določenem obdobju. V primeru, da je žarnica priključena na vtičnico, žarilni nitki ni pomembno, v katero smer teče tok, ampak je količina ustvarjene svetlobe in toplote odvisna od amplitude dobavljene napetosti. Delo, ki ga opravi žarnica, se izračuna s številom elektronov, ki tečejo skozi žarnico v določenem času.

Za določitev dela, ki ga opravi izmenična napetost, moramo izračunati vrednost tega signala, ki opravi enako količino dela kot enosmerna napetost. Ta vrednost se imenuje RMS ali povprečna kvadratna vrednost in je 1/sqrt 2 ali 0,70711 za sinusne valove. Za naš vir napajanja 120 V, ki prihaja iz stene, je 120 V voltov RMS napetost. Najvišja napetost je približno 167,7 voltov. Da bo jasno, vrednost 0,70711 deluje samo za sinusno valovno obliko. RMS vrednost kvadratnega vala je 1,0, za simetrični trikotni val pa 0,577.

Po definiciji lahko RMS izmenična napetost opravi enako količino dela kot enosmerna napetost enake vrednosti.

Spodnja slika prikazuje en cikel sinusne valovne oblike. Najvišja napetost je 167,7 voltov, dve oranžni črti pa določata RMS vrednost 120 V.

Osnovno razumevanje virov in signalov izmeničnega toka

Za ta članek je treba ugotoviti, da so zvočne valovne oblike na predojačevalnikih in žicah zvočnikov v našem stereo sistemu signali izmeničnega toka. V naslednjem članku bomo podrobneje obravnavali koncept frekvence in amplitude.