Teoria elettrica dell'autoradio:calcolo del lavoro e della potenza nei circuiti CC

Nella nostra serie in corso di articoli sulla teoria elettrica dell'audio per auto, introdurremo il concetto di fonti di alimentazione a corrente alternata e segnali. Comprendere le basi dell'AC è fondamentale per capire come funziona un sistema audio mobile. Questo articolo utilizza molti riferimenti ai sistemi di distribuzione dell'elettricità utilizzati nelle nostre case e negli uffici per aiutare a stabilire una comprensione di base dei circuiti CA. Costruiremo su queste basi in questo e negli articoli successivi per aiutare a comprendere le complessità dei sistemi AC.

La differenza tra AC e DC

La tensione prodotta dall'impianto elettrico dei nostri veicoli è chiamata corrente continua. Gli elettroni fluiscono in una direzione da un terminale all'altro della batteria (tranne quando stiamo ricaricando la batteria). Mentre ci sono cambiamenti nel livello di tensione quando aggiungiamo carichi al circuito, o quando l'alternatore inizia a ricaricare la batteria, la direzione del flusso di corrente ai dispositivi elettrici ed elettronici del veicolo non cambia mai.

Al contrario, l'energia fornita dalla società elettrica locale per azionare le luci e gli elettrodomestici nelle nostre case e al lavoro è chiamata corrente alternata. Ha questo nome perché il flusso di elettroni cambia direzione 60 volte al secondo. Sì, suona strano. Chi vorrebbe che il loro potere andasse avanti e indietro? Non preoccuparti; spiegheremo tutto a breve. Continua a leggere.

Perdita di potenza nei cavi di trasmissione

I ricercatori ritengono che la prima fonte di energia elettrica fosse una pentola di terracotta che conteneva lastre di latta e un'asta di ferro. Se riempito con una soluzione acida come l'aceto, si produrrebbe una tensione sui terminali metallici. La convinzione è che questa prima batteria sia stata creata più di 2000 anni fa. Tutte le batterie sono fonti di alimentazione a corrente continua.

L'uso dell'elettricità per fare il lavoro iniziò a diventare popolare alla fine del 1800 e, come tale, divenne necessaria la necessità di fornire elettricità a case e uffici. Il problema con l'erogazione di potenza su lunghe distanze è la perdita di tensione nei fili a causa della loro resistenza.

Come sappiamo dalla legge di Ohm e dai calcoli di potenza di cui abbiamo discusso di recente, la potenza in un circuito è direttamente proporzionale alla corrente e alla tensione (P =I x V) nel circuito. La potenza è anche proporzionale al quadrato della corrente nel circuito rispetto alla resistenza (P =I^2 x R). Se riusciamo a trasmettere potenza con più tensione e meno corrente, si spreca meno energia nei cavi di trasmissione.

Adozione della corrente alternata

Un vantaggio significativo degli alimentatori a corrente alternata nelle applicazioni commerciali e residenziali è che è facile modificare il rapporto tra tensione e corrente utilizzando un trasformatore. Un trasformatore è un dispositivo che utilizza i campi magnetici per aumentare o diminuire il rapporto tensione/corrente. Ad esempio, un trasformatore 2:1 ideale converte 10 volt e cinque ampere di corrente alternata in cinque volt e 10 ampere.

A George Westinghouse è attribuita la divulgazione della fornitura di corrente alternata alle case, grazie all'assegnazione del contratto per la fornitura di energia per l'illuminazione dell'Esposizione Colombiana della Fiera Mondiale del 1893. Westinghouse ha utilizzato trasformatori basati su brevetti che ha acquistato da Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs. Gaulard e Gibbs inventarono il trasformatore a Londra nel 1881.

La potenza di un generatore in una centrale nucleare, a carbone o idroelettrica è compresa tra 20 e 22 kilovolt. Questa tensione viene aumentata tra 155.000 e 765.000 volt utilizzando un trasformatore per la distribuzione in tutto lo stato o provincia. La maggior parte delle torri ad alta tensione che vedi lungo l'autostrada o nelle radure hanno circa 500.000 volt che scorrono attraverso i tre conduttori di alimentazione.

Ogni città o parte di una città avrà un tipo di sottostazione elettrica in cui l'elettricità proveniente da queste linee ad alta tensione viene ridotta a tensioni più basse per la distribuzione in diversi quartieri. Queste tensioni sono generalmente nell'intervallo 16kV per mantenere un livello adeguato di efficienza di trasmissione su queste distanze da brevi a moderate. I trasformatori negli involucri ai lati della strada o installati nel sottosuolo convertono quella tensione nelle alimentazioni a 120 V che corrono verso i quadri elettrici delle nostre case.

A titolo di esempio, diamo un'occhiata a 1 miglio di cavo intrecciato 8 AWG. Secondo lo standard American Wire Gauge, 1 miglio di filo di rame da 8 AWG avrà una resistenza massima di 3,782 ohm e una resistenza ideale di 3,6 ohm.

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.