Théorie électrique de l'audio automobile – Introduction au courant alternatif
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. 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 fournis par ce mile de câble, il y aura de l'énergie perdue à cause de la résistance dans le 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 provoque une perte de 1562,5 et nous perdons 75 volts aux bornes du câble. De toute évidence, la transmission de signaux basse tension sur de longues distances ne fonctionne pas.
Si nous augmentons la tension jusqu'à 16 000 volts, la perte de puissance dans le câble chute à 0,3125 watts et nous ne perdons que 1,125 volts dans le câble.
Les lignes de transmission à haute tension permettent aux entreprises d'électricité de fournir 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 perdre seulement 720 volts. C'est 0,144 % !
OK, assez parlé de la relation entre le courant alternatif et la tension. Parlons des systèmes audio.
Un premier aperçu des 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 atmosphérique que nous percevrons comme un 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 comprend une bobine de fil. La bobine de fil 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 électrique résidentielle 120 V, 60 Hz pour expliquer les calculs dans les termes les plus simples.
Pour mesurer la puissance, il faut regarder la quantité de travail accompli sur une période donnée. Dans le cas d'une ampoule branchée dans une prise, le filament ne se soucie pas de la direction dans laquelle le courant circule, 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 traversent l'ampoule pendant un laps de temps donné.
Pour déterminer le travail effectué par une tension alternative, nous devons calculer la valeur de ce signal qui effectue la même quantité de travail qu'une tension continue. Cette valeur est appelée RMS ou valeur quadratique moyenne et est de 1/sqrt 2, ou 0,70711 pour les ondes sinusoïdales. Pour notre alimentation 120V sortant du mur, 120V volts est la tension RMS. La tension de crête est d'environ 167,7 volts. Pour être clair, la valeur de 0,70711 ne fonctionne que pour une forme d'onde sinusoïdale. La valeur RMS d'une onde carrée est de 1,0 et celle d'une onde triangulaire symétrique est de 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 seul cycle d'une forme d'onde sinusoïdale. La tension de crête est de 167,7 volts et les deux lignes orange définissent la valeur efficace de 120 V.
Compréhension de base des sources et des signaux de courant alternatif
Pour cet article, le point à retenir est que les formes d'onde audio sur les fils du préampli et des haut-parleurs de notre système stéréo sont des signaux de courant alternatif. Dans le prochain article, nous discuterons plus en détail du concept de fréquence et d'amplitude.