Théorie électrique de l'audio automobile — Calcul du travail et de la puissance dans les circuits CC
Dans notre série d'articles sur la théorie électrique de l'audio automobile, nous allons introduire le concept de sources d'alimentation à courant alternatif et signaux. Comprendre les bases de la climatisation est essentiel pour comprendre le fonctionnement d'un système audio mobile. Cet article utilise de nombreuses références aux systèmes de distribution d'électricité utilisés dans nos maisons et nos bureaux pour aider à établir une compréhension de base des circuits AC. Nous nous appuierons sur cette base dans cet article et les suivants pour aider à comprendre la complexité des systèmes AC.
La différence entre le courant alternatif et le courant continu
La tension produite par le système électrique de nos véhicules est appelée courant continu. Les électrons circulent dans un sens d'une borne de la batterie à l'autre (sauf lorsque nous rechargeons la batterie). Bien qu'il y ait des changements dans le niveau de tension lorsque nous ajoutons des charges au circuit, ou lorsque l'alternateur commence à recharger la batterie, la direction du flux de courant vers les appareils électriques et électroniques du véhicule ne change jamais.
À l'inverse, la puissance fournie par votre compagnie d'électricité locale pour alimenter les lumières et les appareils de nos maisons et au travail est appelée courant alternatif. Il porte ce nom car le flux d'électrons change de direction 60 fois par seconde. Oui, cela semble bizarre. Qui voudrait que leur pouvoir fasse des allers-retours ? Ne vous inquiétez pas; nous vous expliquerons tout sous peu. Continuez à lire.
Perte de puissance dans les fils de transmission
Les chercheurs pensent que la première source d'énergie électrique était un pot en argile contenant des plaques d'étain et une tige de fer. S'il était rempli d'une solution acide comme du vinaigre, une tension serait produite sur les bornes métalliques. La croyance est que cette première batterie a été créée il y a plus de 2 000 ans. Toutes les batteries sont des sources d'alimentation en courant continu.
L'utilisation de l'électricité pour effectuer des travaux a commencé à devenir populaire à la fin des années 1800 et, à ce titre, la nécessité de fournir de l'électricité aux maisons et aux bureaux est devenue nécessaire. Le problème avec la fourniture d'énergie sur de longues distances est la perte de tension dans les fils en raison de leur résistance.
Comme nous le savons grâce à la loi d'Ohm et aux calculs de puissance dont nous avons récemment discuté, la puissance dans un circuit est directement proportionnelle au courant et à la tension (P =I x V) dans le circuit. La puissance est également proportionnelle au carré du courant dans le circuit par rapport à la résistance (P =I^2 x R). Si nous pouvons transmettre de l'énergie avec plus de tension et moins de courant, moins d'énergie est gaspillée dans les fils de transmission.
Adoption du courant alternatif
Un avantage important des alimentations à courant alternatif dans les applications commerciales et résidentielles est qu'il est facile de modifier la relation entre la tension et le courant à l'aide d'un transformateur. Un transformateur est un appareil qui utilise des champs magnétiques pour augmenter ou diminuer le rapport tension/courant. Par exemple, un transformateur 2:1 idéal convertirait 10 volts et cinq ampères de courant alternatif en cinq volts et 10 ampères.
George Westinghouse est crédité de la vulgarisation de la fourniture de courant alternatif aux maisons, grâce à l'attribution du contrat pour fournir de l'électricité à l'exposition universelle de 1893 en Colombie. Westinghouse a utilisé des transformateurs basés sur des brevets qu'il a achetés à Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs. Gaulard et Gibbs ont inventé le transformateur à Londres en 1881.
La puissance d'un générateur dans une centrale nucléaire, à charbon ou hydroélectrique est de 20 à 22 kilovolts. Cette tension est augmentée entre 155 000 et 765 000 volts à l'aide d'un transformateur pour la distribution dans l'état ou la province. La plupart des pylônes à haute tension que vous voyez le long de l'autoroute ou dans les clairières ont environ 500 000 volts qui traversent les trois conducteurs d'alimentation.
Chaque ville ou partie de ville aura un type de sous-station électrique où l'électricité de ces lignes à haute tension est réduite à des tensions plus basses pour être distribuée dans différents quartiers. Ces tensions sont généralement de l'ordre de 16 kV pour maintenir un niveau adéquat d'efficacité de transmission sur ces distances courtes à modérées. Des transformateurs dans des boîtiers au bord de la route ou installés sous terre convertissent cette tension en alimentations de 120 V qui alimentent les panneaux électriques de nos maisons.
À titre d'exemple, regardons 1 mile de câble toronné 8 AWG. 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.