Teoria dell'impianto elettrico dell'autoradio – Introduzione alla corrente alternata

Nella nostra serie in corso di articoli sulla teoria elettrica dell'autoradio, 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 da 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.

Se vogliamo 5.000 watt di potenza erogati attraverso questo miglio di cavo, ci sarà un po' di energia persa per la resistenza nel cavo. Se trasmettiamo la nostra potenza a 240 volt, ci saranno 20,83 ampere di corrente che fluiranno nel cavo. Con una resistenza di 3,6 ohm, il cavo stesso provoca una perdita di 1562,5 e perdiamo 75 volt attraverso il cavo. Chiaramente, la trasmissione del segnale a bassa tensione su lunghe distanze non funziona.

Se aumentiamo la tensione fino a 16.000 volt, la perdita di potenza nel cavo scende a 0,3125 watt e perdiamo solo 1,125 volt nel cavo.

Le linee di trasmissione ad alta tensione sono il modo in cui le aziende elettriche possono fornire megawatt di elettricità su lunghe distanze con una perdita di potenza minima. A 500.000 volt, possiamo trasmettere 1 megawatt di elettricità su 100 miglia e perdere solo 720 volt. Questo è lo 0,144 percento!

OK, abbastanza sulla relazione tra alimentazione CA e tensione. Parliamo di sistemi audio.

Un primo sguardo ai segnali audio

A differenza della forma d'onda CA a 60 Hz che alimenta le nostre case, i segnali audio contengono informazioni sulla tensione che imitano i cambiamenti nella pressione dell'aria che percepiremmo come suono. Nella maggior parte dei casi, i suoni vengono registrati utilizzando un microfono che funziona in modo opposto a un altoparlante. L'energia sonora muove un piccolo diaframma che include una bobina di filo. La bobina di filo passa davanti a un magnete fisso. Il movimento della bobina attraverso il campo magnetico induce una tensione nel filo. La distanza percorsa dal diaframma determina l'ampiezza del segnale di tensione. I suoni più forti producono tensioni più elevate.

Di seguito è riportata un'immagine di una forma d'onda audio vista su un oscilloscopio. La persona che parla ha pronunciato la parola audio.

Capire la potenza nei circuiti a corrente alternata

Il concetto di base della potenza in un circuito CA è lo stesso di un circuito CC, ma è necessario completare alcuni calcoli prima di poter applicare la legge di Ohm. Esamineremo l'alimentatore residenziale da 120 V, 60 Hz per spiegare la matematica nei termini più semplici.

Per misurare la potenza, dobbiamo guardare la quantità di lavoro completato in un dato periodo. Nel caso di una lampadina inserita in una presa, al filamento non interessa in quale direzione scorre la corrente, ma la quantità di luce e di calore creata dipende dall'ampiezza della tensione fornita. Il lavoro svolto dal bulbo è calcolato dal numero di elettroni che fluiscono attraverso il bulbo per un determinato periodo di tempo.

Per determinare il lavoro svolto da una tensione CA, dobbiamo calcolare il valore di quel segnale che fa la stessa quantità di lavoro di una tensione CC. Questo valore è chiamato RMS o valore quadratico medio della radice ed è 1/sqrt 2, o 0,70711 per le onde sinusoidali. Per la nostra alimentazione a 120 V che esce dal muro, 120 V volt è la tensione RMS. La tensione di picco è di circa 167,7 volt. Per essere chiari, il valore di 0,70711 funziona solo per una forma d'onda sinusoidale. Il valore efficace di un'onda quadra è 1,0 e per un'onda triangolare simmetrica è 0,577.

Per definizione, la tensione CA RMS può svolgere la stessa quantità di lavoro della tensione CC dello stesso valore.

L'immagine seguente mostra un singolo ciclo di una forma d'onda sinusoidale. La tensione di picco è di 167,7 volt e le due linee arancioni definiscono il valore efficace di 120 V.

Comprensione di base di sorgenti e segnali di corrente alternata

Per questo articolo, il punto è che le forme d'onda audio sui cavi del preamplificatore e degli altoparlanti nel nostro sistema stereo sono segnali di corrente alternata. Nel prossimo articolo discuteremo più in dettaglio il concetto di frequenza e ampiezza.