Autóaudió elektromos elmélet – Bevezetés a váltakozó áramba

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, amely bádoglemezeket és egy vasrudat tartalmazott. 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. Az American Wire Gauge szabvány szerint 1 mérföldnyi 8 AWG rézhuzal maximális ellenállása 3,782 ohm, ideális ellenállása pedig 3,6 ohm.

Ha 5000 watt teljesítményt szeretnénk átadni ezen a mérföldes kábelen keresztül, akkor némi energiaveszteség lesz a kábel ellenállásában. kábel. Ha 240 V-on adjuk át a teljesítményünket, akkor 20,83 amperes áram folyik majd a kábelben. 3,6 ohmos ellenállás mellett maga a kábel 1562,5 veszteséget okoz, és 75 voltot veszítünk a kábelen keresztül. Nyilvánvaló, hogy az alacsony feszültségű jelátvitel nagy távolságokon nem működik.

Ha a feszültséget 16 000 V-ra növeljük, a kábel teljesítményvesztesége 0,3125 wattra csökken, és csak 1,125 voltot veszítünk a kábelben.

A nagyfeszültségű távvezetékek segítségével az elektromos vállalatok megawatt villamos energiát tudnak szállítani nagy távolságokra minimális teljesítményveszteséggel. 500 000 volton 1 megawatt áramot tudunk továbbítani 100 mérföldön keresztül, és csak 720 voltot veszítünk. Ez 0,144 százalék!

Rendben, elég az AC teljesítmény és a feszültség kapcsolatáról. Beszéljünk az audiorendszerekről.

Első pillantás az audiojelekre

Az otthonainkat tápláló 60 Hz-es váltakozó áramú hullámformától eltérően az audiojelek olyan feszültséginformációkat tartalmaznak, amelyek utánozzák a légnyomás változásait, amelyeket hangként érzékelnénk. A legtöbb esetben a hangokat olyan mikrofon segítségével rögzítik, amely a hangszóróval ellentétes módon működik. A hangenergia mozgat egy kis membránt, amely egy huzaltekercset tartalmaz. A huzaltekercs egy rögzített mágnes mellett mozog. A tekercs mozgása a mágneses mezőn keresztül feszültséget indukál a vezetékben. A membrán mozgási távolsága határozza meg a feszültségjel amplitúdóját. A hangosabb hangok magasabb feszültséget eredményeznek.

Az alábbiakban egy oszcilloszkópon látható hanghullámforma képe látható. A beszélő kimondta a hang szót.

A váltakozóáramú áramkörök teljesítményének megértése

Az AC áramkör teljesítményének alapfogalma ugyanaz, mint az egyenáramú áramkörben, de néhány számítást el kell végezni, mielőtt az Ohm-törvényt alkalmazni tudjuk. Megnézzük a 120 V-os, 60 Hz-es lakossági tápegységet, hogy a legegyszerűbb kifejezésekkel elmagyarázzuk a matematikát.

A teljesítmény méréséhez meg kell vizsgálnunk az adott időszak alatt elvégzett munka mennyiségét. A konnektorba csatlakoztatott izzó esetében az izzószálnak nem mindegy, hogy milyen irányban folyik az áram, de a keletkező fény és hő mennyisége a betáplált feszültség amplitúdójától függ. Az izzó által végzett munkát az adott ideig az izzón átáramló elektronok száma határozza meg.

Az AC feszültség által végzett munka meghatározásához ki kell számítanunk annak a jelnek az értékét, amely ugyanolyan mennyiségű munkát végez, mint az egyenfeszültség. Ezt az értéket RMS-nek vagy négyzetes középértéknek nevezik, és 1/sqrt 2, vagy 0,70711 szinuszhullámok esetén. A falból kilépő 120 V-os tápellátásunknál a 120 V az RMS feszültség. A csúcsfeszültség körülbelül 167,7 volt. Az egyértelműség kedvéért a 0,70711 érték csak szinuszos hullámforma esetén működik. Egy négyszöghullám RMS értéke 1,0, a szimmetrikus háromszöghullámé pedig 0,577.

Definíció szerint az RMS váltóáramú feszültség ugyanannyi munkát tud végezni, mint az azonos értékű egyenfeszültség.

Az alábbi képen egy szinuszos hullámforma egyetlen ciklusa látható. A csúcsfeszültség 167,7 volt, a két narancssárga vonal pedig a 120 V RMS értékét határozza meg.

A váltakozó áramforrások és jelek alapvető ismerete

Ebben a cikkben az a lényeg, hogy a sztereó rendszerünk előerősítőjén és hangszóróvezetékén lévő hanghullámformák váltakozó áramú jelek. A következő cikkben a frekvencia és az amplitúdó fogalmával foglalkozunk részletesebben.