Teoria elettrica dell'autoradio:capacità e induttanza
Mentre ci muoviamo verso la fine della nostra discussione sulla teoria elettrica dell'autoradio, dobbiamo parlare di capacità e induttanza e di come le caratteristiche di tali fenomeni interagiscono con segnali AC e DC. Non c'è dubbio che si tratti di concetti avanzati, ma anche una conoscenza di base del funzionamento di condensatori e induttori è fondamentale per una comprensione approfondita dei sistemi elettronici mobili.
Cos'è un condensatore?
Un condensatore è un componente elettronico a due terminali che immagazzina energia. I condensatori sono costituiti da due piastre metalliche separate da un isolante elettrico. Quando applichiamo una tensione a un terminale del condensatore, gli elettroni su una piastra imporranno una forza sulla piastra opposta per creare una carica opposta. Il risultato è che le piastre hanno cariche uguali e opposte e quindi mantengono un campo elettrico. Poiché le piastre di un condensatore sono molto vicine tra loro, possono immagazzinare una grande quantità di energia per le loro dimensioni complessive.
I condensatori sono quantificati in unità di farad. Un farad è definito come un coulomb di carica su ciascuna piastra, risultando in una tensione di un volt ai terminali.
Condensatori nei circuiti CC
I condensatori sono, nella loro funzione più elementare, un dispositivo che immagazzina un campo magnetico microscopico tra le sue piastre. Quando applichiamo una tensione CC a un condensatore scarico, per un istante appare come un cortocircuito mentre i campi magnetici ed elettrici iniziano a formarsi tra le sue piastre. Quando il condensatore inizia a immagazzinare energia, aumenta la resistenza effettiva e la quantità di corrente che scorre attraverso il dispositivo si riduce. Una volta che il condensatore si è equalizzato con la tensione di alimentazione, quasi nessuna corrente passa attraverso il dispositivo.
Quando rimuoviamo la tensione di alimentazione da un condensatore, tenterà di mantenere la tensione attraverso i terminali. È questa caratteristica che rende i condensatori una soluzione ideale per ridurre le variazioni di tensione. I condensatori resistono alle variazioni di tensione.
All'interno degli amplificatori dei nostri sistemi audio per auto, i condensatori vengono utilizzati per immagazzinare grandi quantità di energia alla tensione del binario. Quando c'è un'improvvisa richiesta di corrente che supera la capacità dell'alimentatore, i condensatori rilasceranno energia per mantenere la loro tensione iniziale. Questa caratteristica aiuta a stabilizzare la tensione dell'amplificatore durante i transitori dinamici. Questo stesso concetto si applica ai "condensatori di irrigidimento" utilizzati sull'alimentazione a 12V dell'amplificatore. Se implementata utilizzando componenti di alta qualità, l'aggiunta di un condensatore di grandi dimensioni può aiutare a fornire corrente transitoria all'amplificatore.
Il condensatore nei circuiti CA
Nei circuiti a corrente alternata, i condensatori assumono un interessante fenomeno di "resistenza virtuale". Come sappiamo, ai condensatori non piace cambiare la tensione, tuttavia un segnale CA è definito come in continua evoluzione. A seconda della relazione tra il valore del condensatore e la frequenza del segnale CA, una certa quantità di corrente può passare attraverso il cappuccio.
Se proviamo a misurare la resistenza di un condensatore con un multimetro convenzionale, scopriremo che mostra un valore estremamente alto. Per i segnali AC, utilizziamo la formula Xc =1 / (2 x 3,1416 x F x C) per calcolare la resistenza effettiva, dove F è la frequenza del segnale e C è il valore del condensatore in farad. Poiché questa resistenza non è presente nei segnali CC, la chiamiamo reattanza capacitiva.
Se volessimo creare un semplice circuito di filtro per limitare la quantità di segnale a bassa frequenza che va a un altoparlante, potremmo cablare un condensatore non polarizzato in serie con l'altoparlante. Per calcolare la frequenza alla quale il limite inizia a ridurre i bassi andando all'altoparlante, possiamo riorganizzare l'equazione sopra in F =1 / (2 x 3,1416 x R x C), dove R è lo stesso valore della resistenza dell'altoparlante. Per un altoparlante da quattro ohm e un condensatore con un valore di 200 uF (microfarad), otteniamo una frequenza di 198,9 Hz. A questa frequenza, il condensatore sembra avere la stessa reattanza dell'altoparlante e il segnale che va all'altoparlante viene ridotto del 50 percento. Poiché la capacità è inversamente proporzionale alla frequenza, l'impedenza del condensatore aumenta al diminuire della frequenza. A 99 Hz la reattanza è di 8 ohm, a 50 Hz è di 16 ohm e così via. Questo fenomeno riduce contemporaneamente la corrente erogata dall'amplificatore e funge da divisore di tensione tra il cappuccio e l'altoparlante.
Un condensatore in serie con un altoparlante è noto come filtro passa-alto del primo ordine. Riduce l'uscita dell'altoparlante a una velocità di -6dB per ottava quando ci si allontana dalla frequenza di crossover definita sopra. I condensatori sono adatti come filtri per i driver di gamma media e alta frequenza nei modelli passivi e come dispositivi di protezione per i tweeter nei modelli attivi.
Cos'è un induttore?
Nel modo più semplice, un induttore è una bobina di filo che crea un campo magnetico in base alla quantità di corrente che scorre attraverso esso. Molti induttori sono dotati di nuclei di ferro per aumentare l'intensità del campo magnetico. Laddove un condensatore resiste alle variazioni di tensione, un induttore resiste alle variazioni del flusso di corrente. Sappiamo dal nostro precedente articolo sul magnetismo che la corrente che scorre attraverso un conduttore crea un campo magnetico attorno a quel conduttore. Se avvolgiamo il conduttore in un anello, la vicinanza degli anelli l'uno all'altro intensifica il campo magnetico.
Anche dal nostro precedente articolo, sappiamo anche che un campo magnetico può imporre una tensione su un conduttore. Se la corrente in un induttore tenta di cambiare, il campo magnetico tenta di creare una tensione attraverso il dispositivo per mantenere il flusso di corrente.
Una buona analogia per un induttore è un volano su un motore. Una volta stabilita una velocità di rotazione specifica, è necessaria una grande quantità di lavoro per aumentare o diminuire la sua velocità. Gli induttori funzionano allo stesso modo con la corrente. Resistono ai cambiamenti nel flusso di corrente. Gli induttori sono classificati utilizzando l'unità henry (H). Un henry è definito come l'opposizione al flusso di corrente elettrica attraverso un dispositivo che provoca la comparsa di un volt di forza elettromotrice attraverso i terminali.
Induttori nei circuiti elettrici
Nella maggior parte delle applicazioni, non vogliamo induttori in un circuito a 12 V CC perché resistono ai cambiamenti nel flusso di corrente. Per un carico variabile come un amplificatore, una grande quantità di induttanza nel cablaggio di alimentazione risulterebbe in una tensione di alimentazione instabile al variare dei requisiti di corrente.
Ci sono alcuni casi in cui gli induttori vengono utilizzati in combinazione con un condensatore per fungere da filtro del rumore.
In un circuito CA, gli induttori consentono ai segnali a bassa frequenza di passare attraverso il dispositivo con un effetto minimo o nullo. Se colleghiamo un induttore in serie con un altoparlante, esso funge da filtro passa-alto. A differenza di un condensatore, in un circuito CC, un induttore appare come un cortocircuito con pochissima resistenza. Per un segnale AC, possiamo calcolare l'induttanza reattiva di un condensatore usando l'equazione Xl =1 x 3,1416 x F x L, dove F è la frequenza e L è l'induttanza in henries.
Se vogliamo utilizzare un induttore come filtro passa-alto, possiamo determinare il punto di crossover effettivo sostituendo l'Xl con la resistenza dell'altoparlante. In questo esempio utilizzeremo un induttore con un valore di 6 mH (millihenry) e un altoparlante con un'impedenza nominale di 4 ohm. Lì, il punto -3dB del circuito del filtro sarebbe F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006) o 106,1 Hz. Questo valore di induttore sarebbe un buon filtro passa basso per un woofer. Proprio come con un condensatore in serie con un altoparlante, un induttore funge da filtro del primo ordine e riduce l'uscita a una velocità di -12dB per ottava all'aumentare della frequenza dal punto di crossover.
Altri casi di induttanza e capacità
Ogni volta che due conduttori sono paralleli tra loro e nelle immediate vicinanze, si verificherà un certo livello di capacità. Molti entusiasti eccessivamente esuberanti parlano di capacità nei cavi di interconnessione. Sebbene questo sia un fattore, i cambiamenti microscopici (se effettivamente percettibili) possono essere compensati durante il processo di messa a punto del sistema. Quando si tratta di acquistare interconnessioni di alta qualità, l'eliminazione del rumore e la durata complessiva del design dovrebbero essere i tuoi obiettivi principali.
L'avvolgimento della bobina mobile negli altoparlanti che utilizziamo ha una certa induttanza. Questa caratteristica riduce l'uscita ad alta frequenza riducendo il flusso di corrente alle alte frequenze. Poiché gli altoparlanti sono dinamici, i loro parametri cambiano mentre il cono dell'altoparlante si muove. Allo stesso modo in cui avere un nucleo di ferro in un induttore aumenta l'induttanza rispetto a un design con nucleo d'aria, l'induttanza di una bobina dell'altoparlante aumenta quando il gruppo del cono si sposta all'indietro nel cestello. Il giogo a T al centro dell'altoparlante aumenta l'intensità del campo magnetico creato dalla corrente nella bobina mobile. Allo stesso modo, mentre l'altoparlante avanza, l'induttanza diminuisce. Queste distorsioni dell'induttanza basate sulla posizione possono causare un effetto di gorgheggio ad alta frequenza che può essere dannoso per la riproduzione della tua musica. Una soluzione consiste nell'implementare un design della bobina mobile in cui lo spazio è più alto dell'avvolgimento della bobina. Lo svantaggio di questo design è che la bobina mobile è spesso piccola e manca di gestione della potenza. Un'altra opzione consiste nell'includere un cappuccio in rame per espansioni polari per ridurre il campo magnetico e ridurre al minimo la distorsione. Un cappuccio in rame è un'opzione costosa ma offre eccellenti vantaggi in termini di prestazioni.
Teoria elettrica dell'autoradio
Per ora, questa è la fine della nostra serie di articoli sulla teoria elettrica dell'autoradio. Ci auguriamo che ti sia piaciuto conoscere la fisica alla base del funzionamento del tuo sistema audio per auto. Il nostro obiettivo è quello di educare gli appassionati in modo che possano effettuare acquisti ragionevoli e aggiornamenti al loro sistema audio mobile. In caso di domande, rivolgersi al rivenditore specializzato in elettronica mobile locale. Possono aiutarti a progettare un aggiornamento che trasformerà davvero il tuo tragitto giornaliero in un'esperienza di ascolto piacevole.