Teoria elettrica audio auto: Introduzione alla Corrente Alternata

Nella nostra serie continua di articoli sulla teoria elettrica dell'audio auto, introdurremo il concetto di sorgenti di alimentazione e segnali a corrente alternata. Comprendere le basi dell'AC è cruciale per capire come funziona un sistema audio mobile. Questo articolo usa molti riferimenti ai sistemi di consegna dell'elettricità usati nelle nostre case e uffici per aiutare a stabilire una comprensione di base dei circuiti AC. Costruiremo su questa base in questo e nei successivi articoli per aiutare a formare una comprensione delle complessità dei sistemi AC.

La Differenza tra AC e DC

La tensione prodotta dal sistema elettrico nei nostri veicoli è chiamata corrente continua. Gli elettroni fluiscono in una direzione da un terminale della batteria all'altro (eccetto quando stiamo ricaricando la batteria). Mentre ci sono cambiamenti nel livello di tensione mentre aggiungiamo carichi al circuito, o quando l'alternatore inizia a ricaricare la batteria, la direzione del flusso di corrente verso i dispositivi elettrici ed elettronici nel veicolo non cambia mai.

Al contrario, l'alimentazione fornita dalla vostra compagnia elettrica locale per alimentare luci ed 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, questo suona strano. Chi vorrebbe che la loro potenza andasse avanti e indietro? Non preoccupatevi; lo spiegheremo tutto a breve. Continuate a leggere.

Perdita di Potenza nei Cavi di Trasmissione

I ricercatori credono che la prima sorgente di alimentazione elettrica fosse un vaso di argilla che conteneva piastre di stagno e una verga di ferro. Se riempito con una soluzione acida come l'aceto, una tensione verrebbe prodotta sui terminali metallici. Si crede che questa prima batteria sia stata creata più di 2.000 anni fa. Tutte le batterie sono sorgenti di alimentazione a corrente continua.

Usare l'elettricità per fare lavoro iniziò a diventare popolare alla fine del 1800, e come tale, la necessità di consegnare elettricità a case e uffici divenne necessaria. Il problema con la consegna di potenza su lunghe distanze è la perdita di tensione nei cavi a causa della loro resistenza.

Come sappiamo dalla legge di Ohm e dai calcoli di potenza che 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 = I² x R). Se possiamo trasmettere potenza con più tensione e meno corrente, meno potenza viene sprecata nei cavi di trasmissione.

Adozione della Corrente Alternata

Un vantaggio significativo delle sorgenti di alimentazione a corrente alternata in applicazioni commerciali e residenziali è che è facile cambiare la relazione tra tensione e corrente usando un trasformatore. Un trasformatore è un dispositivo che usa campi magnetici per aumentare o diminuire il rapporto tensione/corrente. Per esempio, un trasformatore ideale 2:1 convertirebbe 10 volt e 5 ampere di AC in 5 volt e 10 ampere.

George Westinghouse è accreditato con la popolarizzazione della consegna di potenza AC alle case, grazie all'aggiudicazione del contratto per fornire potenza per illuminare l'Esposizione Colombiana della Fiera Mondiale del 1893. Westinghouse usò trasformatori basati su brevetti che acquistò da Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs. Gaulard e Gibbs inventarono il trasformatore a Londra nel 1881.

L'output di un generatore in una centrale nucleare, a carbone o idroelettrica è di 20-22 kilovolt. Questa tensione viene elevata a tra 155.000 e 765.000 volt usando un trasformatore per la distribuzione nello stato o provincia. La maggior parte delle torri ad alta tensione che vedete lungo l'autostrada o in radure hanno circa 500.000 volt che scorrono attraverso i tre conduttori di potenza.

Ogni città o porzione di città avrà qualche tipo di sottostazione elettrica dove l'elettricità da queste linee ad alta tensione viene abbassata a tensioni più basse per la distribuzione nei diversi quartieri. Queste tensioni sono solitamente nell'intervallo 16kV per mantenere un livello adeguato di efficienza di trasmissione su queste distanze brevi o moderate. Trasformatori in involucri a lato della strada o installati sottoterra convertono quella tensione agli alimentatori a 120V che arrivano ai pannelli elettrici nelle nostre case.

A titolo di esempio, guardiamo 1 miglio di cavo intrecciato 8 AWG. Secondo lo standard American Wire Gauge, 1 miglio di filo di rame 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 consegnati attraverso questo miglio di cavo, ci sarà qualche energia persa per la resistenza nel cavo. Se trasmettiamo la nostra potenza a 240 volt, ci saranno 20,83 ampere di corrente che fluiscono nel cavo. Con una resistenza di 3,6 ohm, il cavo stesso causa una perdita di 1562,5 watt e perdiamo 75 volt attraverso il cavo. Chiaramente, la trasmissione di segnali 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 come le compagnie elettriche possono consegnare megawatt di elettricità su lunghe distanze con perdita minima di potenza. A 500.000 volt, possiamo trasmettere 1 megawatt di elettricità su 100 miglia e perdere solo 720 volt. Questo è lo 0,144%!

OK, basta sulla relazione tra potenza AC e tensione. Parliamo di sistemi audio.

Uno Sguardo Iniziale ai Segnali Audio

A differenza della forma d'onda AC a 60Hz che alimenta le nostre case, i segnali audio contengono informazioni di tensione che imitano i cambiamenti di pressione dell'aria che percepiamo come suono. Nella maggior parte dei casi, i suoni sono registrati usando un microfono che funziona nel modo opposto a un altoparlante. L'energia sonora muove un piccolo diaframma che include una bobina di filo. La bobina di filo si muove oltre un magnete fisso. Il movimento della bobina attraverso il campo magnetico induce una tensione nel filo. La distanza che il diaframma si muove determina l'ampiezza del segnale di tensione. Suoni più forti producono tensioni più alte.

Qui sotto c'è un'immagine di una forma d'onda audio come vista su un oscilloscopio. La persona che parlava ha detto la parola "audio".

Comprendere la Potenza nei Circuiti a Corrente Alternata

Il concetto base di potenza in un circuito AC è lo stesso di un circuito DC, ma alcuni calcoli devono essere completati prima di poter applicare la legge di Ohm. Guarderemo l'alimentazione residenziale a 120V, 60Hz 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 collegata a una presa, il filamento non si preoccupa di quale direzione scorre la corrente, ma la quantità di luce e calore creata dipende dall'ampiezza della tensione fornita. Il lavoro fatto dalla lampadina è calcolato dal numero di elettroni che fluiscono attraverso la lampadina per una data quantità di tempo.

Per determinare il lavoro fatto da una tensione AC, dobbiamo calcolare il valore di quel segnale che fa la stessa quantità di lavoro di una tensione DC. Questo valore è chiamato RMS o valore quadratico medio ed è 1/√2, o 0,70711 per le onde sinusoidali. Per la nostra alimentazione a 120V che esce dalla presa, 120V volt è la tensione RMS. La tensione di picco è circa 167,7 volt. Per essere chiari, il valore di 0,70711 funziona solo per una forma d'onda sinusoidale. Il valore RMS di un'onda quadrata è 1,0 e per un'onda triangolare simmetrica è 0,577.

Per definizione, la tensione AC RMS può eseguire la stessa quantità di lavoro della tensione DC dello stesso valore.

Comprensione di Base delle Sorgenti e Segnali a Corrente Alternata

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