Autóaudio-elektromos elmélet – Munka és teljesítmény kiszámítása egyenáramú áramkörökben
Az autós audioelektromos elméletről szóló, folyamatban lévő cikksorozatunkban bemutatjuk a váltóáramú áramforrások fogalmát és jeleket. Az AC alapjainak megértése elengedhetetlen a mobil audiorendszer működésének megértéséhez. Ez a cikk sok hivatkozást használ az otthonainkban és irodáinkban használt villamosenergia-ellátó rendszerekre, hogy elősegítse az AC áramkörök alapvető megértését. Ebben és a következő cikkekben erre az alapra fogunk építeni, hogy megértsük a váltakozó áramú rendszerek bonyolultságát.
Különbség az AC és DC között
Járműveink elektromos rendszere által termelt feszültséget egyenáramnak nevezzük. Az elektronok az egyik irányban áramlanak az akkumulátor egyik kivezetésétől a másikig (kivéve, amikor az akkumulátort töltjük). Míg a feszültség szintje megváltozik, amikor terhelést adunk az áramkörhöz, vagy amikor a generátor elkezdi tölteni az akkumulátort, az áram iránya a járműben lévő elektromos és elektronikus eszközök felé soha nem változik.
Ezzel szemben a helyi elektromos társaság által az otthonunkban és a munkahelyen lévő lámpák és készülékek meghajtására szolgáló áramot váltakozó áramnak nevezzük. Azért kapta ezt a nevet, mert az elektronok áramlása másodpercenként 60-szor változtatja irányát. Igen, ez furcsán hangzik. Ki akarná, hogy ereje oda-vissza járjon? Ne izgulj; hamarosan mindent elmagyarázunk. Olvass tovább.
Áramvesztés az átviteli vezetékekben
A kutatók úgy vélik, hogy az első elektromos áramforrás egy agyagedény volt, amelyben ónlemezek és vasrudak voltak. Ha savas oldattal, például ecettel töltjük meg, feszültség keletkezne a fémkapcsokon. A hiedelem szerint ezt az első akkumulátort több mint 2000 évvel ezelőtt hozták létre. Minden akkumulátor egyenáramú áramforrás.
Az 1800-as évek végén kezdett elterjedni az elektromosság munkára való felhasználása, és mint ilyen, szükségessé vált az elektromos áram otthonokba és irodákba való eljuttatása. A nagy távolságra történő áramellátás problémája a vezetékek ellenállása miatti feszültségveszteség.
Amint azt Ohm törvényéből és a nemrégiben tárgyalt teljesítményszámításokból tudjuk, az áramkör teljesítménye egyenesen arányos az áramkörben lévő árammal és feszültséggel (P =I x V). A teljesítmény arányos az áramkörben az ellenálláshoz viszonyított áram négyzetével is (P =I^2 x R). Ha nagyobb feszültséggel és kisebb áramerősséggel tudjuk továbbítani a teljesítményt, akkor kevesebb energia megy kárba az átviteli vezetékekben.
A váltakozó áram átvétele
A kereskedelmi és lakossági alkalmazásokban használt váltakozó áramú tápegységek jelentős előnye, hogy transzformátor segítségével könnyen megváltoztatható a feszültség és az áram közötti kapcsolat. A transzformátor olyan eszköz, amely mágneses mezőket használ a feszültség/áram arány növelésére vagy csökkentésére. Például egy ideális 2:1-es transzformátor 10 voltot és 5 amperes váltakozó áramot alakítana át 5 voltra és 10 amperre.
George Westinghouse nevéhez fűződik az otthonok váltakozó áramú áramellátásának népszerűsítése annak köszönhetően, hogy elnyerte a szerződést az 1893-as Kolumbiai Világkiállítás megvilágítására. A Westinghouse a Lucien Gaulardtól és John Dixon Gibbstől vásárolt szabadalmakon alapuló transzformátorokat használt. Gaulard és Gibbs 1881-ben Londonban találta fel a transzformátort.
Atom-, szén- vagy vízerőműben egy generátor teljesítménye 20-22 kilovolt. Ezt a feszültséget 155 000 és 765 000 V közé emelik egy transzformátor segítségével az állam vagy tartomány körüli elosztáshoz. Az autópálya mentén vagy a tisztásokon látható nagyfeszültségű tornyok többségében körülbelül 500 000 V áramlik át a három tápvezetéken.
Minden városnak vagy városrésznek lesz valamilyen elektromos alállomása, ahol az ezekből a nagyfeszültségű vezetékekből származó villamos energiát alacsonyabb feszültségre csökkentik a különböző városrészek körüli elosztás érdekében. Ezek a feszültségek általában a 16 kV tartományban vannak, hogy megfelelő szintű átviteli hatékonyságot fenntartsanak ezeken a rövid és közepes távolságokon. Az út szélén elhelyezett vagy a föld alá telepített transzformátorok ezt a feszültséget a 120 V-os betáplálásra alakítják át, amely az otthonunkban lévő elektromos panelekre fut.
Példaként nézzünk meg egy 1 mérföldnyi 8 AWG sodrott kábelt. According to the American Wire Gauge standard, 1 mile of 8 AWG copper wire will have a maximum resistance of 3.782 ohms and an ideal resistance of 3.6 ohms.
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.