Théorie électrique audio auto – Introduction au courant alternatif
Dans notre série continue d'articles sur la théorie électrique audio auto, nous allons introduire le concept de sources d'alimentation et signaux en courant alternatif. Comprendre les bases du AC est crucial pour comprendre comment fonctionne un système audio mobile. Cet article utilise beaucoup de références aux systèmes de distribution d'électricité dans nos maisons et bureaux pour établir une compréhension de base des circuits AC. Nous construirons sur cette base dans cet article et les suivants pour former une compréhension des complexités des systèmes AC.
La différence entre AC et DC
La tension produite par le système électrique de nos véhicules s'appelle le courant continu. Les électrons circulent dans une seule direction d'une borne de la batterie à l'autre (sauf lors de la recharge). Bien qu'il y ait des changements de niveau de tension quand on ajoute des charges ou quand l'alternateur recharge la batterie, la direction du flux de courant vers les appareils électriques et électroniques du véhicule ne change jamais.
Inversement, l'énergie fournie par votre compagnie électrique locale pour alimenter les lumières et appareils de nos maisons et au travail s'appelle le courant alternatif. Elle porte ce nom parce que le flux d'électrons change de direction 60 fois par seconde. Oui, cela semble bizarre. Qui voudrait que son courant aille et vienne ? Pas de panique ; nous l'expliquerons tout à l'heure. 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. Si on le remplit d'une solution acide comme du vinaigre, une tension est produite aux bornes métalliques. On pense que cette première batterie a été créée il y a plus de 2 000 ans. Toutes les batteries sont des sources d'énergie en courant continu.
L'utilisation de l'électricité pour faire du travail a commencé à devenir populaire à la fin des années 1800, et par conséquent, le besoin de livrer de l'électricité aux maisons et bureaux est devenu nécessaire. Le problème avec la livraison d'énergie sur de longues distances est la perte de tension dans les fils due à leur résistance.
Comme nous le savons grâce à la loi d'Ohm et aux calculs de puissance récemment discutés, la puissance dans un circuit est directement proportionnelle au courant et à la tension (P = I × V). La puissance est aussi proportionnelle au carré du courant par rapport à la résistance (P = I² × R). Si nous pouvons transmettre l'énergie avec plus de tension et moins de courant, moins de puissance est gaspillée dans les fils de transmission.
Adoption du courant alternatif
Un avantage significatif des alimentations en courant alternatif pour les applications commerciales et résidentielles est qu'il est facile de changer la relation entre tension et courant en utilisant un transformateur. Un transformateur est un dispositif qui utilise des champs magnétiques pour augmenter ou diminuer le rapport tension/courant. Par exemple, un transformateur idéal 2:1 convertirait 10 volts et 5 ampères AC en 5 volts et 10 ampères.
George Westinghouse est crédité de la popularisation de la livraison d'énergie AC aux foyers, grâce à l'obtention du contrat pour alimenter l'Exposition universelle colombienne de 1893. Westinghouse a utilisé des transformateurs basés sur des brevets achetés à Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs. Gaulard et Gibbs ont inventé le transformateur à Londres en 1881.
La sortie d'un générateur dans une centrale nucléaire, au charbon ou hydroélectrique est de 20 à 22 kilovolts. Cette tension est augmentée à 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 tours haute tension que vous voyez le long des autoroutes ou dans les clairières ont environ 500 000 volts circulant dans les trois conducteurs d'alimentation.
Chaque ville ou partie de ville aura un type de sous-station électrique où l'électricité de ces lignes haute tension est abaissée à des tensions plus basses pour la distribution dans différents quartiers. Ces tensions sont généralement dans la gamme 16 kV pour maintenir un niveau adéquat d'efficacité de transmission sur ces courtes à moyennes distances. Des transformateurs dans des boîtiers au bord de la route ou installés sous terre convertissent cette tension en alimentations 120 V qui vont aux panneaux électriques de nos maisons.
Par exemple, regardons 1 mile de câble toronné 8 AWG. Selon la norme American Wire Gauge, 1 mile de fil de cuivre 8 AWG aura une résistance maximale de 3,782 ohms et une résistance idéale de 3,6 ohms.
Si nous voulons 5 000 watts de puissance livrés à travers ce mile de câble, il y aura une certaine énergie perdue à la résistance du câble. Si nous transmettons notre puissance à 240 volts, il y aura 20,83 ampères de courant circulant dans le câble. Avec une résistance de 3,6 ohms, le câble lui-même cause une perte de 1562,5 watts et nous perdons 75 volts à travers le câble. Clairement, la transmission de signaux basse tension sur de longues distances ne fonctionne pas.
Si nous augmentons la tension à 16 000 volts, la perte de puissance dans le câble tombe à 0,3125 watt et nous ne perdons que 1,125 volt dans le câble.
Les lignes de transmission haute tension permettent aux compagnies électriques de livrer des mégawatts d'électricité sur de longues distances avec une perte de puissance minimale. À 500 000 volts, nous pouvons transmettre 1 mégawatt d'électricité sur 100 miles et ne perdre que 720 volts. C'est 0,144 % !
Assez sur la relation entre puissance AC et tension. Parlons des systèmes audio.
Premier regard sur les signaux audio
Contrairement à la forme d'onde AC 60 Hz qui alimente nos maisons, les signaux audio contiennent des informations de tension qui imitent les changements de pression d'air que nous percevrons comme du son. Dans la plupart des cas, les sons sont enregistrés à l'aide d'un microphone qui fonctionne à l'opposé d'un haut-parleur. L'énergie sonore déplace un petit diaphragme qui inclut une bobine de fil. La bobine passe devant un aimant fixe. Le mouvement de la bobine à travers le champ magnétique induit une tension dans le fil. La distance parcourue par le diaphragme détermine l'amplitude du signal de tension. Les sons plus forts produisent des tensions plus élevées.
Ci-dessous, une image d'une forme d'onde audio vue sur un oscilloscope. La personne qui parle a dit le mot « audio ».
Comprendre la puissance dans les circuits à courant alternatif
Le concept de base de la puissance dans un circuit AC est le même que pour un circuit DC, mais certains calculs doivent être effectués avant de pouvoir appliquer la loi d'Ohm. Nous examinerons l'alimentation résidentielle 120 V, 60 Hz pour expliquer les mathématiques dans les termes les plus simples.
Pour mesurer la puissance, nous devons examiner la quantité de travail accomplie sur une période donnée. Dans le cas d'une ampoule branchée sur une prise, le filament ne se soucie pas de la direction du courant, mais la quantité de lumière et de chaleur créée dépend de l'amplitude de la tension fournie. Le travail effectué par l'ampoule est calculé par le nombre d'électrons qui la traversent pendant un temps donné.
Pour déterminer le travail effectué par une tension AC, nous devons calculer la valeur de ce signal qui fait la même quantité de travail qu'une tension DC. Cette valeur s'appelle la valeur RMS (root mean square) et vaut 1/√2, soit 0,70711 pour les ondes sinusoïdales. Pour notre alimentation 120 V sortant du mur, 120 V est la tension RMS. La tension de crête est d'environ 167,7 volts. Précisons que la valeur 0,70711 ne fonctionne que pour une forme d'onde sinusoïdale. La valeur RMS d'une onde carrée est 1,0 et pour une onde triangulaire symétrique 0,577.
Par définition, la tension AC RMS peut effectuer la même quantité de travail qu'une tension DC de même valeur.
L'image ci-dessous montre un cycle unique d'une forme d'onde sinusoïdale. La tension de crête est de 167,7 volts, et les deux lignes orange définissent la valeur RMS de 120 V.
Compréhension de base des sources et signaux en courant alternatif
Pour cet article, l'idée à retenir est que les formes d'onde audio sur les fils de préampli et de haut-parleurs dans notre système stéréo sont des signaux en courant alternatif. Dans le prochain article, nous discuterons plus en détail du concept de fréquence et d'amplitude.