Théorie électrique de l'audio automobile – Capacité et inductance
Alors que nous approchons de la fin de notre discussion sur la théorie électrique de l'audio de voiture, nous devons parler de capacité et d'inductance et comment les caractéristiques de ces phénomènes interagissent avec les signaux AC et DC. Il ne fait aucun doute qu'il s'agit de concepts avancés, mais même une compréhension de base du fonctionnement des condensateurs et des inductances est fondamentale pour une compréhension approfondie des systèmes électroniques mobiles.
Qu'est-ce qu'un condensateur ?
Un condensateur est un composant électronique à deux bornes qui stocke de l'énergie. Les condensateurs sont constitués de deux plaques métalliques séparées par un isolant électrique. Lorsque nous appliquons une tension à une borne du condensateur, les électrons sur une plaque imposeront une force sur la plaque opposée pour créer une charge opposée. Le résultat est que les plaques ont des charges égales et opposées et maintiennent ainsi un champ électrique. Étant donné que les plaques d'un condensateur sont très proches les unes des autres, elles peuvent stocker une grande quantité d'énergie pour leur taille globale.
Les condensateurs sont quantifiés en farads. Un farad est défini comme un coulomb de charge sur chaque plaque, résultant en une tension d'un volt aux bornes.
Condensateurs dans les circuits CC
Les condensateurs sont, dans leur fonction la plus élémentaire, un dispositif qui stocke un champ magnétique microscopique entre ses plaques. Lorsque nous appliquons une tension continue à un condensateur déchargé, il apparaît comme un court-circuit pendant un instant lorsque les champs magnétiques et électriques commencent à se former entre ses plaques. Lorsque le condensateur commence à stocker de l'énergie, sa résistance effective augmente et la quantité de courant traversant l'appareil est réduite. Une fois que le condensateur s'est égalisé avec la tension d'alimentation, presque aucun courant ne traverse l'appareil.
Lorsque nous supprimons la tension d'alimentation d'un condensateur, il tentera de maintenir la tension aux bornes. C'est cette caractéristique qui fait des condensateurs une solution idéale pour réduire les variations de tension. Les condensateurs résistent aux changements de tension.
À l'intérieur des amplificateurs de nos systèmes audio de voiture, des condensateurs sont utilisés pour stocker de grandes quantités d'énergie à la tension du rail. Lorsqu'il y a une demande soudaine de courant qui dépasse la capacité de l'alimentation, les condensateurs libèrent de l'énergie pour maintenir leur tension initiale. Cette caractéristique permet de stabiliser la tension de l'ampli lors des transitoires dynamiques. Ce même concept s'applique aux "condensateurs de renforcement" utilisés sur l'alimentation 12V de votre amplificateur. Lorsqu'il est mis en œuvre à l'aide de composants de haute qualité, l'ajout d'un gros condensateur peut aider à fournir un courant transitoire à l'ampli.
Le condensateur dans les circuits AC
Dans les circuits à courant alternatif, les condensateurs adoptent un phénomène intéressant de "résistance virtuelle". Comme nous le savons, les condensateurs n'aiment pas changer de tension, mais un signal CA est défini comme étant en constante évolution. En fonction de la relation entre la valeur du condensateur et la fréquence du signal CA, une certaine quantité de courant peut passer à travers le capuchon.
Si nous essayons de mesurer la résistance d'un condensateur avec un multimètre conventionnel, nous constaterons qu'il affiche une valeur extrêmement élevée. Pour les signaux alternatifs, nous utilisons la formule Xc =1 / (2 x 3,1416 x F x C) pour calculer la résistance effective, où F est la fréquence du signal et le C est la valeur du condensateur en farads. Parce que cette résistance n'est pas présente dans les signaux CC, nous l'appelons réactance capacitive.
Si nous voulions créer un circuit de filtrage simple pour limiter la quantité de signal basse fréquence allant à un haut-parleur, nous pourrions câbler un condensateur non polarisé en série avec le haut-parleur. Pour calculer la fréquence à laquelle le capuchon commence à réduire les basses allant au haut-parleur, nous pouvons réorganiser l'équation ci-dessus en F =1 / (2 x 3,1416 x R x C), où R est la même valeur que la résistance du haut-parleur. Pour un haut-parleur de quatre ohms et un condensateur d'une valeur de 200 uF (microfarads), on obtient une fréquence de 198,9 Hz. À cette fréquence, le condensateur semble avoir la même réactance que le haut-parleur et le signal qui va au haut-parleur est réduit de 50 %. Parce que la capacité est inversement proportionnelle à la fréquence, l'impédance du condensateur augmente à mesure que la fréquence diminue. A 99 Hz, la réactance est de 8 ohms, à 50 Hz, elle est de 16 ohms, et ainsi de suite. Ce phénomène réduit simultanément le courant fourni par l'amplificateur et agit comme un diviseur de tension entre le capot et le haut-parleur.
Un condensateur en série avec un haut-parleur est appelé filtre passe-haut du premier ordre. Il réduit la sortie du haut-parleur à un taux de -6 dB par octave lorsque vous vous éloignez de la fréquence de croisement telle que définie ci-dessus. Les condensateurs conviennent comme filtres pour les haut-parleurs médium et haute fréquence dans les conceptions passives et comme dispositifs de protection pour les tweeters dans les conceptions actives.
Qu'est-ce qu'un inducteur ?
En termes simples, une inductance est une bobine de fil qui crée un champ magnétique basé sur la quantité de courant circulant à travers. De nombreux inducteurs comportent des noyaux de fer pour augmenter l'intensité du champ magnétique. Là où un condensateur résiste aux changements de tension, une inductance résiste aux changements de flux de courant. Nous savons de notre précédent article sur le magnétisme que le courant circulant dans un conducteur crée un champ magnétique autour de ce conducteur. Si nous enroulons le conducteur dans une boucle, la proximité des boucles les unes par rapport aux autres intensifie le champ magnétique.
Toujours de notre article précédent, nous savons également qu'un champ magnétique peut imposer une tension à un conducteur. Si le courant dans une inductance essaie de changer, le champ magnétique tente de créer une tension aux bornes de l'appareil pour maintenir le flux de courant.
Une bonne analogie pour un inducteur est un volant d'inertie sur un moteur. Une fois que vous avez établi une vitesse de rotation spécifique, il faut beaucoup de travail pour augmenter ou diminuer sa vitesse. Les inducteurs fonctionnent de la même manière avec le courant. Ils résistent aux changements de flux de courant. Les inducteurs sont évalués en utilisant l'unité henry (H). Un henry est défini comme l'opposition au flux de courant électrique à travers un appareil qui entraîne l'apparition d'une force électromotrice d'un volt aux bornes.
Inducteurs dans les circuits électriques
Dans la plupart des applications, nous ne voulons pas d'inducteurs dans un circuit 12 V CC car ils résistent aux variations du flux de courant. Pour une charge variable telle qu'un amplificateur, une grande quantité d'inductance dans le câblage d'alimentation entraînerait une tension d'alimentation instable lorsque les exigences de courant changent.
Il existe certains cas où des inducteurs sont utilisés en combinaison avec un condensateur pour agir comme un filtre de bruit.
Dans un circuit AC, les inductances permettent aux signaux basse fréquence de traverser l'appareil avec peu ou pas d'effet. Si on câble une inductance en série avec un haut-parleur, elle agit comme un filtre passe-haut. Contrairement à un condensateur, dans un circuit à courant continu, une inductance apparaît comme un court-circuit avec très peu de résistance. Pour un signal alternatif, nous pouvons calculer l'inductance réactive d'un condensateur en utilisant l'équation Xl =1 x 3,1416 x F x L, où F est la fréquence et L est l'inductance en henry.
Si nous voulons utiliser une inductance comme filtre passe-haut, nous pouvons déterminer le point de croisement effectif en remplaçant le Xl par la résistance du haut-parleur. Dans cet exemple, nous utiliserons une inductance d'une valeur de 6 mH (millihenries) et un haut-parleur d'une impédance nominale de 4 ohms. Là, le point -3dB du circuit de filtrage serait F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006), soit 106,1 Hz. Cette valeur d'inductance ferait un bon filtre passe-bas pour un woofer. Tout comme avec un condensateur en série avec un haut-parleur, une inductance agit comme un filtre de premier ordre et réduit la sortie à un taux de -12 dB par octave lorsque la fréquence augmente à partir du point de croisement.
Autres cas d'inductance et de capacité
Chaque fois que deux conducteurs sont parallèles l'un à l'autre et à proximité, il y aura un certain niveau de capacité. De nombreux passionnés trop exubérants parlent de capacité dans les câbles d'interconnexion. Bien qu'il s'agisse d'un facteur, les changements microscopiques (le cas échéant sont perceptibles) peuvent être compensés pendant le processus de réglage du système. Lorsqu'il s'agit d'acheter des interconnexions de haute qualité, le rejet du bruit et la durabilité globale de la conception doivent être vos principaux objectifs.
L'enroulement de la bobine mobile dans les haut-parleurs que nous utilisons a une certaine inductance. Cette caractéristique réduit la sortie haute fréquence en réduisant le flux de courant aux hautes fréquences. Parce que les haut-parleurs sont dynamiques, leurs paramètres changent lorsque le cône du haut-parleur se déplace. De la même manière que le fait d'avoir un noyau de fer dans un inducteur augmente l'inductance par rapport à une conception à noyau d'air, l'inductance d'une bobine acoustique de haut-parleur augmente lorsque l'ensemble de cône se déplace vers l'arrière dans le panier. La culasse en T au centre du haut-parleur augmente la force du champ magnétique créé par le courant dans la bobine acoustique. De même, à mesure que le haut-parleur avance, l'inductance diminue. Ces distorsions d'inductance basées sur la position peuvent provoquer un effet de bourdonnement à haute fréquence qui peut être préjudiciable à la reproduction de votre musique. Une solution consiste à mettre en œuvre une conception de bobine acoustique suspendue où l'espace est plus grand que l'enroulement de la bobine. L'inconvénient de cette conception est que la bobine mobile est souvent petite et manque de puissance. Une autre option consiste à inclure un capuchon de pièce polaire en cuivre pour réduire le champ magnétique et minimiser la distorsion. Un capuchon en cuivre est une option coûteuse, mais offre d'excellents avantages en termes de performances.
Théorie électrique de l'audio de voiture
Pour l'instant, c'est la fin de notre série d'articles sur la théorie électrique de l'audio automobile. Nous espérons que vous avez aimé en apprendre davantage sur la physique derrière le fonctionnement de votre système audio de voiture. Notre objectif est d'éduquer les passionnés afin qu'ils puissent faire des achats éclairés et mettre à niveau leur système audio mobile. Si vous avez des questions, rendez-vous chez votre détaillant spécialisé en électronique mobile local. Ils peuvent vous aider à concevoir une mise à niveau qui transformera véritablement votre trajet en une expérience d'écoute agréable.