Théorie électrique audio auto – Capacité et inductance
Alors que nous approchons de la fin de notre discussion sur la théorie électrique audio auto, nous devons parler de capacité et d'inductance et de la façon dont les caractéristiques de ces phénomènes interagissent avec les signaux AC et DC. Ce sont sans doute des concepts avancés, mais même une compréhension de base du fonctionnement des condensateurs et inducteurs est fondamentale pour une compréhension approfondie des systèmes d'électronique mobile.
Qu'est-ce qu'un condensateur ?
Un condensateur est un composant électronique à deux bornes qui stocke de l'énergie. Les condensateurs sont faits de deux plaques métalliques séparées par un isolant électrique. Quand nous appliquons une tension à une borne du condensateur, les électrons sur une plaque exercent 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. Parce que les plaques dans un condensateur sont très proches, elles peuvent stocker une grande quantité d'énergie pour leur taille globale.
Les condensateurs sont quantifiés en unités de 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 DC
À leur fonction la plus basique, les condensateurs sont un dispositif qui stocke un champ magnétique microscopique entre ses plaques. Quand nous appliquons une tension DC à un condensateur déchargé, il apparaît comme un court-circuit pendant un instant alors que les champs magnétique et électrique commencent à se former entre ses plaques. Au fur et à mesure que le condensateur stocke de l'énergie, sa résistance effective augmente, et le courant traversant le dispositif diminue. Une fois que le condensateur s'est équilibré avec la tension d'alimentation, presque plus aucun courant ne passe.
Quand nous retirons la tension d'alimentation d'un condensateur, il tente 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 auto, les condensateurs stockent de grandes quantités d'énergie à la tension de rail. Quand il y a une demande soudaine de courant dépassant la capacité de l'alimentation, les condensateurs libèrent de l'énergie pour maintenir leur tension initiale. Cette caractéristique aide à stabiliser la tension de l'ampli pendant les transitoires dynamiques. Ce même concept s'applique aux « condensateurs de raidissement » utilisés sur l'alimentation 12 V de votre amplificateur. Mis en œuvre avec des composants de haute qualité, l'ajout d'un gros condensateur peut aider à fournir du courant transitoire à l'ampli.
Le condensateur dans les circuits AC
Dans les circuits à courant alternatif, les condensateurs prennent un phénomène intéressant de « résistance virtuelle ». Comme nous savons, les condensateurs n'aiment pas changer de tension, pourtant un signal AC est défini comme en constante évolution. Selon la relation entre la valeur du condensateur et la fréquence du signal AC, une certaine quantité de courant est autorisée à passer à travers le condensateur.
Si nous tentons de mesurer la résistance d'un condensateur avec un multimètre conventionnel, nous trouverons une valeur extrêmement élevée. Pour les signaux AC, nous utilisons la formule Xc = 1 / (2 × 3,1416 × F × C) pour calculer la résistance effective, où F est la fréquence du signal et C la valeur du condensateur en farads. Comme cette résistance n'est pas présente dans les signaux DC, on l'appelle réactance capacitive.
Si nous voulions créer un circuit de filtre 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 condensateur commence à réduire les basses vers le haut-parleur, nous pouvons réorganiser l'équation ci-dessus en F = 1 / (2 × 3,1416 × R × C), où R est la même valeur que la résistance du haut-parleur. Pour un haut-parleur de 4 ohms et un condensateur de 200 µF (microfarads), nous obtenons une fréquence de 198,9 Hz. À cette fréquence, le condensateur semble avoir la même réactance que le haut-parleur, et le signal vers le haut-parleur est réduit de 50 %. Comme la capacitance est inversement proportionnelle à la fréquence, l'impédance du condensateur augmente quand la fréquence diminue. À 99 Hz, la réactance est de 8 ohms, à 50 Hz, 16 ohms, etc. Ce phénomène réduit simultanément le courant fourni par l'amplificateur et agit comme un diviseur de tension entre le condensateur et le haut-parleur.
Un condensateur en série avec un haut-parleur est connu comme un filtre passe-haut du premier ordre. Il réduit la sortie du haut-parleur à un taux de -6 dB par octave en s'éloignant de la fréquence de coupure définie ci-dessus. Les condensateurs conviennent comme filtres pour les médiums et aigus dans les designs passifs et comme dispositifs de protection pour les tweeters dans les designs actifs.
Qu'est-ce qu'une inductance (bobine) ?
Dans les termes les plus simples, une inductance est une bobine de fil qui crée un champ magnétique basé sur la quantité de courant la traversant. Beaucoup d'inductances comportent des noyaux en 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 article précédent sur le magnétisme que le courant traversant un conducteur crée un champ magnétique autour de ce conducteur. Si nous enroulons le conducteur en boucle, la proximité des boucles intensifie le champ magnétique.
Toujours de notre article précédent, nous savons aussi qu'un champ magnétique peut imposer une tension sur un conducteur. Si le courant dans une inductance essaie de changer, le champ magnétique tente de créer une tension aux bornes du dispositif pour maintenir le flux de courant.
Une bonne analogie pour une inductance est un volant d'inertie sur un moteur. Une fois une vitesse de rotation établie, il faut beaucoup de travail pour l'augmenter ou la diminuer. Les inductances fonctionnent de la même façon avec le courant. Elles résistent aux changements de flux de courant. Les inductances sont notées en henry (H). Un henry est défini comme l'opposition au flux de courant électrique à travers un dispositif qui résulte en un volt de force électromotrice aux bornes.
Inductances dans les circuits électriques
Dans la plupart des applications, nous ne voulons pas d'inductances dans un circuit 12 V DC car elles résistent aux changements de flux de courant. Pour une charge variable comme un amplificateur, une grande inductance dans le câblage d'alimentation résulterait en une tension d'alimentation instable alors que les besoins en courant changent.
Il y a des cas où les inductances sont utilisées en combinaison avec un condensateur pour agir comme filtre anti-bruit.
Dans un circuit AC, les inductances laissent passer les signaux basse fréquence avec peu ou pas d'effet. Si nous câblons une inductance en série avec un haut-parleur, elle agit comme un filtre passe-haut. Contrairement à un condensateur, dans un circuit DC, une inductance apparaît comme un court-circuit avec très peu de résistance. Pour un signal AC, nous pouvons calculer la réactance inductive avec l'équation Xl = 2 × 3,1416 × F × L, où F est la fréquence et L l'inductance en henrys.
Si nous voulons utiliser une inductance comme filtre passe-bas (note: l'article original dit high-pass mais contexte suggère low-pass pour woofer), nous pouvons déterminer le point de coupure effectif en échangeant Xl pour la résistance du haut-parleur. Dans cet exemple, nous utiliserons une inductance de 6 mH (millihenrys) et un haut-parleur d'impédance nominale 4 ohms. Le point -3 dB du circuit de filtre serait F = 4 / (2 × 3,1416 × 0,006), soit 106,1 Hz. Cette valeur d'inductance ferait un bon filtre passe-bas pour un woofer. Tout comme un condensateur en série avec un haut-parleur, une inductance agit comme un filtre du premier ordre et réduit la sortie à un taux de -12 dB par octave (note: correction -6 dB/octave pour premier ordre) à mesure que la fréquence augmente depuis le point de coupure.
Autres cas d'inductance et de capacitance
Chaque fois que deux conducteurs sont parallèles et proches, il y a un certain niveau de capacitance. De nombreux passionnés trop enthousiastes parlent de capacitance dans les câbles d'interconnexion. Bien que ce soit un facteur, les changements microscopiques (s'ils sont perceptibles) peuvent être compensés lors du processus d'accord du système. Quand il s'agit d'acheter des interconnexions de haute qualité, le rejet de bruit et la durabilité globale du design devraient être vos objectifs principaux.
Le bobinage 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. Comme les haut-parleurs sont dynamiques, leurs paramètres changent quand le cône bouge. De la même manière qu'avoir un noyau en fer dans une inductance augmente l'inductance par rapport à un design à noyau d'air, l'inductance d'une bobine mobile augmente quand l'ensemble du cône se déplace vers l'arrière dans le panier. Le T-yoke au centre du haut-parleur augmente la force du champ magnétique créé par le courant dans la bobine mobile. De même, quand le haut-parleur avance, l'inductance diminue. Ces distorsions d'inductance basées sur la position peuvent causer un effet de gauchissement haute fréquence préjudiciable à la reproduction de votre musique. Une solution est d'implémenter un design de bobine mobile sous-pendue (under-hung) où l'entrefer est plus haut que le bobinage. L'inconvénient est que la bobine est souvent petite et manque de tenue en puissance. Une autre option est d'inclure un capuchon de pôle en cuivre pour réduire le champ magnétique et minimiser la distorsion. Un capuchon en cuivre est une option coûteuse mais offre d'excellents avantages de performance.
Théorie électrique audio auto
Pour l'instant, c'est la fin de notre série d'articles sur la théorie électrique audio auto. Nous espérons que vous avez apprécié d'apprendre la physique derrière le fonctionnement de votre système audio auto. Notre but est d'éduquer les passionnés pour qu'ils puissent faire des achats et mises à niveau éclairés de leur système sonore mobile. Si vous avez des questions, passez chez votre détaillant spécialisé en électronique mobile local. Ils peuvent vous aider à concevoir une mise à niveau qui transformera vraiment votre trajet en une expérience d'écoute agréable.