Autóaudioelektromos elmélet – Kapacitás és induktivitás
Ahogy az autóaudio-elektromos elméletről szóló tárgyalásunk vége felé haladunk, beszélnünk kell a kapacitásról és az induktivitásról, valamint arról, hogyan ezeknek a jelenségeknek a jellemzői kölcsönhatásba lépnek az AC és DC jelekkel. Kétségtelen, hogy ezek fejlett fogalmak, de még a kondenzátorok és induktorok működésének alapvető ismerete is alapvető fontosságú a mobil elektronikai rendszerek alapos megértéséhez.
Mi az a kondenzátor?
A kondenzátor egy kétpólusú elektronikus alkatrész, amely energiát tárol. A kondenzátorok két fémlemezből állnak, amelyeket elektromos szigetelő választ el egymástól. Ha feszültséget adunk a kondenzátor egyik kivezetésére, az egyik lemezen lévő elektronok erőt fejtenek ki a másik lemezre, és ezzel ellentétes töltést hoznak létre. Az eredmény az, hogy a lemezek egyenlő és ellentétes töltésekkel rendelkeznek, és így fenntartják az elektromos mezőt. Mivel a kondenzátorban lévő lemezek nagyon közel vannak egymáshoz, teljes méretükhöz képest nagy mennyiségű energiát tudnak tárolni.
A kondenzátorok számszerűsítése farad egységekben történik. A farad egy coulomb töltés minden lemezen, ami egy voltos feszültséget eredményez a kapcsokon.
Kondenzátorok egyenáramú áramkörökben
A kondenzátorok legalapvetőbb funkciójukat tekintve olyan eszközök, amelyek mikroszkopikus mágneses teret tárolnak a lemezei között. Ha egyenáramú feszültséget kapcsolunk egy kisült kondenzátorra, az egy pillanatra rövidzárlatként jelenik meg, amikor a mágneses és elektromos mezők kezdenek kialakulni a lemezei között. Ahogy a kondenzátor elkezd energiát tárolni, megnő az effektív ellenállása, és csökken a készüléken átfolyó áram mennyisége. Miután a kondenzátor kiegyenlítette a tápfeszültséget, szinte semmi áram nem halad át a készüléken.
Amikor eltávolítjuk a tápfeszültséget a kondenzátorról, az megpróbálja fenntartani a feszültséget a kapcsokon. Ez a tulajdonság teszi a kondenzátorokat ideális megoldássá a feszültségingadozások csökkentésére. A kondenzátorok ellenállnak a feszültségváltozásoknak.
Az autós audiorendszereink erősítőin belül kondenzátorokat használnak nagy mennyiségű energia tárolására a sínfeszültségen. Ha hirtelen áramigény lép fel, amely meghaladja a tápegység kapacitását, a kondenzátorok energiát szabadítanak fel, hogy fenntartsák kezdeti feszültségüket. Ez a jellemző segít stabilizálni az erősítő feszültségét dinamikus tranziensek során. Ugyanez a koncepció vonatkozik az erősítő 12 V-os betáplálásánál használt „merevítő kondenzátorokra”. Ha jó minőségű alkatrészeket használnak, egy nagy kondenzátor hozzáadásával tranziens áramot biztosíthat az erősítőnek.
A kondenzátor az AC áramkörökben
A váltakozó áramú áramkörökben a kondenzátorok a „virtuális ellenállás” érdekes jelenségét veszik fel. Mint tudjuk, a kondenzátorok nem szeretik megváltoztatni a feszültséget, mégis a váltakozó áramú jel az, amely állandóan változónak minősül. A kondenzátor értéke és a váltakozó áramú jel frekvenciája közötti kapcsolattól függően bizonyos mennyiségű áram áthaladhat a kupakon.
Ha egy kondenzátor ellenállását egy hagyományos multiméterrel próbáljuk megmérni, azt tapasztaljuk, hogy rendkívül magas értéket mutat. Váltakozó áramú jelek esetén az effektív ellenállás kiszámításához az Xc =1 / (2 x 3,1416 x F x C) képletet használjuk, ahol F a jel frekvenciája, C pedig a kondenzátor értéke faradokban. Mivel ez az ellenállás nincs jelen az egyenáramú jelekben, kapacitív reaktanciának nevezzük.
Ha egy egyszerű szűrőáramkört szeretnénk létrehozni, hogy korlátozzuk a hangszóróba jutó alacsony frekvenciájú jel mennyiségét, sorba köthetünk egy nem polarizált kondenzátort a hangszóróval. Annak kiszámításához, hogy a kupak milyen frekvencián kezdi csökkenteni a hangsugárzóba jutó basszust, átrendezhetjük a fenti egyenletet F =1 / (2 x 3,1416 x R x C) értékre, ahol R megegyezik a hangszóró ellenállásával. Egy négyohmos hangszóró és egy 200 uF (mikrofarad) értékű kondenzátor esetén 198,9 Hz-es frekvenciát kapunk. Ezen a frekvencián úgy tűnik, hogy a kondenzátor reaktanciája megegyezik a hangszóróval, és a hangszóróhoz érkező jel 50 százalékkal csökken. Mivel a kapacitás fordítottan arányos a frekvenciával, a kondenzátor impedanciája a frekvencia csökkenésével nő. 99 Hz-en a reaktancia 8 ohm, 50 Hz-en 16 ohm, és így tovább. Ez a jelenség egyidejűleg csökkenti az erősítő által szolgáltatott áramot, és feszültségelosztóként működik a kupak és a hangszóró között.
A hangszóróval sorba kapcsolt kondenzátor elsőrendű felüláteresztő szűrőként ismert. Csökkenti a hangszóró kimenő teljesítményét -6 dB oktávonként, amint eltávolodik a fent meghatározott keresztezési frekvenciától. A kondenzátorok passzív kialakítású közép- és nagyfrekvenciás meghajtók szűrőjeként, aktív kivitelben pedig magassugárzók védőeszközeként használhatók.
Mi az induktor?
A legegyszerűbben az induktor egy huzaltekercs, amely mágneses mezőt hoz létre az áramló áram mennyisége alapján azon keresztül. Sok induktor vasmaggal rendelkezik, hogy növelje a mágneses mező intenzitását. Ahol a kondenzátor ellenáll a feszültség változásának, az induktor ellenáll az áramáramlás változásának. A mágnesességről szóló korábbi cikkünkből tudjuk, hogy a vezetőn átfolyó áram mágneses teret hoz létre a vezető körül. Ha a vezetőt hurokba tekerjük, a hurkok egymáshoz való közelsége felerősíti a mágneses teret.
Szintén korábbi cikkünkből azt is tudjuk, hogy a mágneses mező feszültséget tud kifejteni a vezetőre. Ha az induktorban lévő áram megpróbál megváltozni, a mágneses mező megpróbál feszültséget létrehozni az eszközön, hogy fenntartsa az áram áramlását.
Az induktor jó analógiája a lendkerék a motoron. Ha egy adott forgási sebességet beállított, nagy mennyiségű munkára van szükség a sebesség növeléséhez vagy csökkentéséhez. Az induktorok ugyanúgy működnek az árammal. Ellenállnak az áramáramlás változásainak. Az induktorok minősítése a henry (H) egység segítségével történik. A henryt úgy definiálják, mint az elektromos áram ellenállását az eszközön keresztül, amely egy voltos elektromotoros erőt eredményez a kivezetéseken.
Induktorok az elektromos áramkörökben
A legtöbb alkalmazásban nem szeretnénk induktorokat egy 12 V-os egyenáramú áramkörben, mert ellenállnak az áramáramlás változásainak. Változó terhelésnél, például erősítőnél, a tápvezetékekben lévő nagymértékű induktivitás instabil tápfeszültséget eredményezne az áramigények változásával.
Vannak olyan esetek, amikor az induktorokat egy kondenzátorral kombinálva zajszűrőként használják.
A váltakozó áramú áramkörökben az induktorok lehetővé teszik az alacsony frekvenciájú jelek áthaladását az eszközön csekély hatás nélkül. Ha egy induktort sorba kötünk egy hangszóróval, az felüláteresztő szűrőként működik. A kondenzátorral ellentétben az egyenáramú áramkörben az induktor rövidzárlatként jelenik meg, nagyon kis ellenállással. Egy váltóáramú jelhez egy kondenzátor reaktív induktivitását az Xl =1 x 3,1416 x F x L egyenlet segítségével számíthatjuk ki, ahol F a frekvencia, L pedig az induktivitás henryben.
Ha induktivitást szeretnénk felüláteresztő szűrőként használni, akkor az Xl-t a hangszóró ellenállására cserélve határozhatjuk meg az effektív keresztezési pontot. Ebben a példában egy 6 mH értékű induktivitást és egy 4 ohm névleges impedanciájú hangszórót használunk. Ott a szűrőáramkör -3 dB pontja F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006) vagy 106,1 Hz lenne. Az induktornak ez az értéke jó aluláteresztő szűrő lenne egy mélysugárzóhoz. Csakúgy, mint a hangszóróval sorba kapcsolt kondenzátorok esetében, az induktor elsőrendű szűrőként működik, és oktávonként -12 dB-lel csökkenti a kimenetet, amikor a frekvencia a keresztezési ponttól növekszik.
Az induktivitás és a kapacitás egyéb esetei
Bármikor, amikor két vezető párhuzamos egymással és közel van, akkor bizonyos szintű kapacitás lesz. Sok túlzottan dühöngő rajongó beszél az összekötő kábelek kapacitásáról. Bár ez egy tényező, a mikroszkopikus változások (ha valóban érzékelhetőek) kompenzálhatók a rendszer hangolási folyamata során. Amikor jó minőségű összekötőket vásárol, a zajelnyelés és az általános tervezési tartósság kell legyen a legfontosabb cél.
Az általunk használt hangszórók tekercsének egy bizonyos mértékű induktivitása van. Ez a jellemző csökkenti a nagyfrekvenciás kimenetet azáltal, hogy csökkenti az áramot nagy frekvenciákon. Mivel a hangszórók dinamikusak, paramétereik a hangszórókúp mozgásával változnak. Ugyanúgy, ahogy a vasmag az induktorban növeli az induktivitást a levegőmagos kialakításhoz képest, a hangszóró hangtekercsének induktivitása növekszik, amikor a kúpszerelvény hátrafelé mozog a kosárba. A hangszóró közepén található T-iyom növeli a hangtekercs árama által létrehozott mágneses mező erősségét. Hasonlóképpen, ahogy a hangszóró előre mozog, az induktivitás csökken. Ezek a pozíció alapú induktivitás torzítások nagyfrekvenciás hullámzást okozhatnak, ami káros lehet a zene lejátszására. Az egyik megoldás az aláakasztott hangtekercs kialakítása, ahol a rés magasabb, mint a tekercs tekercselése. Ennek a kialakításnak az a hátránya, hogy a hangtekercs gyakran kicsi, és nincs energiakezelése. Egy másik lehetőség egy réz pólussapka beépítése a mágneses tér csökkentése és a torzítás minimalizálása érdekében. A rézsapka drága lehetőség, de kiváló teljesítményelőnyöket kínál.
Autóaudio-elektromos elmélet
Egyelőre ezzel véget ért az autóaudio-elektromos elméletről szóló cikksorozatunk. Reméljük, hogy élvezte az autó audiorendszerének működésének fizikáját. Célunk a rajongók oktatása, hogy megalapozottan vásárolhassanak és frissítsék mobil hangrendszerüket. Ha bármilyen kérdése van, forduljon a helyi mobil elektronikai szakkereskedőhöz. Segítségükkel megtervezhet egy olyan frissítést, amely valóban élvezetes hallgatási élménnyé varázsolja az ingázást.