Глубокие размышления о размерах силовых проводов автомобильной аудиосистемы

14.09.2024

Когда то давно, в большинстве магазинов автомобильных стереосистем в установочных отсеках были таблицы, показывающие, какой размер провода питания следует использовать с различными усилителями. Некоторые таблицы были основаны на силе тока и длине кабеля, в то время как другие предлагали номинальные мощности усилителей и их длину. Во всех случаях отсутствовала важная часть информации. Сегодня мы разберемся с этим. Давайте рассмотрим, зачем нам нужны большие провода питания, какие факторы влияют на потребление тока и как выбрать проводку подходящего размера для аудиоусилителя вашего автомобиля.

Низковольтные электрические системы

Большинство автомобилей, грузовиков, лодок и мотоциклов работают на 12-вольтовой электрической системе. Напряжение аккумулятора должно находиться в диапазоне от 12,2 до 12,6 вольт, когда автомобиль не работает. В зависимости от применения, мы можем увидеть напряжение от 13,4 до 14,6 вольт, когда генератор заряжает аккумулятор. Эти напряжения могут быть немного выше, если в вашем автомобиле используется аккумулятор AGM.

Мощность — это произведение напряжения на ток. Таким образом, если нагрузке, например усилителю или светильнику, требуется 100 Вт от 12-вольтовой электрической системы, то она будет потреблять 8,3 А тока. Если нам нужно 1200 Вт, то нам нужно 100 А тока. Это закон Ома в его самой базовой форме.

Теперь, если бы у нас было 120 вольт, которые мы находим в наших домах и офисах, потребление тока для 100 ватт составило бы всего 830 миллиампер. Нагрузка в 1200 ватт потребляла бы всего 10 ампер. Усилитель мог бы иметь питание 240 вольт, если бы это было концертное или крупное приложение для публичного оповещения. Если так, он бы потреблял только 415 миллиампер тока при 100 ваттах и 5 ампер при 1200 ваттах.

Вот проблема с большими токами, протекающими в электрических проводниках. Формула для расчета мощности: Ток в квадрате умножить на Сопротивление. Если у нас есть проводник с током 10 А и сопротивлением 0,005 Ом, на проводе будет падение напряжения 50 милливольт, и 0,5 Вт энергии будет тратиться в виде тепла. Если этот ток увеличится до 20 А, тепло, теряемое в проводе, подскочит до 2 Вт. При 50 А в проводе тратится 12,5 Вт энергии; при 100 А — 50 Вт. Это эквивалентно сопротивлению 12 футов полностью медного провода полной спецификации AWG 6 AWG. Подумайте, насколько горячей становится 50-ваттная лампочка накаливания, будучи включенной всего несколько минут.

Сопротивление кабеля — вот почему электроэнергетические компании передают электроэнергию по всей стране на уровнях вроде 345 000 вольт. Таким образом можно передавать огромные объемы электроэнергии, не неся значительных потерь из-за сопротивления кабеля.

Эффективность усилителя имеет решающее значение

Второе, что нужно помнить, это то, что ни одно электрическое или электронное устройство не является на 100% эффективным. Это означает, что вы вкладываете в устройство больше энергии, чем получаете. Автомобильные аудиоусилители значительно различаются по своей эффективности. Мы видели усилители сабвуфера, предлагающие более 92% эффективности, а другие — менее 58%. Эффективность усилителя играет огромную роль в определении того, сколько энергии он будет потреблять.

Допустим, например, что оба усилителя рассчитаны на мощность 1000 Вт. Усилитель с эффективностью 92% будет потреблять около 87 ампер тока от 12,5-вольтовой электрической системы. Усилитель с низкой эффективностью будет потреблять сравнительно умопомрачительные 138 ампер для получения той же мощности. Заявления о требованиях к силовому кабелю, основанные на номинальных мощностях усилителя, необходимо тщательно проверять.

Музыка и тестовые тоны

Само собой разумеется, что мы хотим рассчитать размер провода в нашей автомобильной аудиосистеме для наихудшего сценария. Мы не хотим тратить энергию, когда мы максимизируем возможности усилителей по производству мощности. Однако среднее потребление энергии намного ниже. Мы проанализировали большое количество современной музыки, и средний уровень мощности примерно на 7,5 дБ ниже пиков. Это означает, что если мы усредним требования к мощности наших усилителей по длине песни, они выдают менее 20% от своей максимальной мощности, когда установлены так, что пики достигают отсечки.

Уменьшите громкость на одну ступень, и текущие требования, скорее всего, снизятся вдвое. Само собой разумеется, что теоретически мы могли бы значительно уменьшить размер силового провода и не столкнуться с большими проблемами. Мы видели десятки, если не сотни, больших усилителей, установленных с ужасно маломерной силовой проводкой. Является ли это «лучшей практикой»? Конечно, нет. Однако это случается часто, и большинство таких установок не сталкиваются с проблемами. Есть ли у этого недостаток? Да, усилитель, скорее всего, никогда не достигнет своей максимальной номинальной мощности, поэтому вы ограничиваете производительность своей аудиосистемы.

Что определяет приемлемый размер провода?

Ответ на вопрос «Какой размер провода подходит для моего усилителя?» требует, чтобы мы выбрали приемлемое количество отходов или потерь. В частности, какое падение напряжения приемлемо по всей длине провода питания? Стандарт ANSI/CTA-2031 для силовой проводки автомобильных аудиосистем предполагает, что мы выбираем провод питания на основе максимального падения напряжения 0,25 вольт. Учитывая, что сопротивление полностью медного провода, полностью соответствующего спецификации AWG, имеет точные номинальные и максимальные требования к сопротивлению, мы можем создать таблицу, которая обеспечивает максимально допустимый ток при различной длине общедоступных проводов.

На диаграмме выше показан максимально допустимый ток для данного размера провода (по вертикальной шкале) и длины (по горизонтальной шкале). Например, если у нас есть 16 футов провода 4 AWG, мы хотим сохранить максимальный ток 58,3 ампер. Подставляя это число обратно в эффективность нашего усилителя, мы можем запустить эффективный 670-ваттный усилитель или 423-ваттный усилитель с низкой эффективностью, не превышая 0,25 вольт падения на проводе.

Одна из распространенных ошибок — считать значения в этой таблице целевыми. Они представляют собой наихудший сценарий. Например, если вам нужно обеспечить 60 ампер тока для усилителя, то 16 футов провода 4 AWG кажутся правильным выбором. А как насчет заземляющего провода? Он должен быть всего 2 фута. Хотели бы мы 2 фута провода 14 AWG ? Определенно нет. Цель состоит в том, чтобы иметь как можно меньшее сопротивление в силовом проводе к усилителю и от него. Используйте один и тот же провод для всех силовых соединений.

Потеря энергии в проводке

Итак, это еще не конец обсуждения. Мы всегда хотим знать, что происходит в этих крайних пределах, верно? В таблице указано, что мы можем провести 2412 ампер тока через 2 фута провода 4/0 (0000). Звучит весело! Или нет?

Нам нужно посчитать, сколько мощности теряется в проводе. Две тысячи четыреста ампер — это большой ток. Вот вторая диаграмма, которая показывает, сколько мощности теряется (в виде тепла) на фут проводника.

На приведенной выше диаграмме показано, сколько тепла выделяется, если мы пропускаем максимально возможный ток для обеспечения падения напряжения в 0,25 вольт через проводники разной длины. Итак, наш кабель 4/0 с 2412 амперами, протекающими по нему, будет вырабатывать 301,6 Вт тепла на фут. Мне не нужно говорить вам, что оболочка на проводе быстро расплавится. Наши расчеты показывают, что оголенный провод 4/0 нагревается со скоростью 121 градус Цельсия в минуту при выработке 301,6 Вт. Большинство проводов рассчитаны всего на 105 градусов Цельсия. Я уверен, вы видите проблему. Даже если мы далеки от своих расчетов, управление или, точнее, предотвращение нагрева проводников имеет решающее значение для обеспечения надежной работы проводки в аудиосистеме автомобиля.

Большой провод стоит дорого

Хотя математика и верна, использование 16 футов кабеля 2/0 для хорошего усилителя мощностью ~ 1200 Вт — это дорого, верно? А что, если мы допустим падение напряжения в 0,5 вольта на нашем силовом проводе? Да, максимальная выходная мощность усилителя уменьшится, а провод нагреется. Однако это не так сильно ударит по нашим кошелькам. Стоит ли идти на такой компромисс?

Вот те же графики, но с допустимым падением напряжения в 0,5 вольта.

При более высоком допустимом падении напряжения максимальный ток для данного размера и длины провода значительно увеличивается. Наш провод 4 AWG предположительно приемлем для тока 116,5 ампер или действительно эффективного усилителя мощностью 1000 Вт. Кабель 2/0 предположительно может выдерживать ток 186 ампер. Это был бы хороший выбор для столь же мощного усилителя с низкой эффективностью.

Проверка размера провода в реальности

Хотя графики и расчеты в электронных таблицах интересны, реальность такова, что существуют практические тепловые пределы, которые нельзя превышать. Насколько захватывающим будет ток в 4800 ампер через проводник 4/0 при создании фейерверка? Ответ захватывающий.

Максимальный ток, который может выдерживать проводник непрерывно, во многом зависит от среды, в которой он используется. Под капотом вашего автомобиля или грузовика, где, скорее всего, очень жарко, горячий провод будет нагреваться еще больше по мере прохождения по нему тока. Это приводит к увеличению сопротивления. Большее сопротивление для заданного количества тока означает еще большее падение напряжения и большее выделение тепла.

Если рассматривать потребности в постоянном токе в перспективе, то электродуговые печи, подобные тем, которые используются для производства стали, часто используют ток силой от 40 000 до 60 000 ампер. Проводники, по которым проходит этот ток, имеют размер в тысячи квадратных миллиметров. Кабель 0 AWG имеет сечение 53,5 квадратных миллиметра. Кабели печи обычно заключены в системы жидкостного охлаждения для поддержания температуры проводника. Да, проводники с жидкостным охлаждением.

Какой размер провода нужен моему автомобильному усилителю звука?

Какой размер провода вам нужен, зависит от того, как будет использоваться ваша аудиосистема, какую музыку вы слушаете и от эффективности усилителей. Рок или хэви-метал музыка, скорее всего, будет иметь динамическую басовую информацию, в то время как рэп или EDM, скорее всего, будут иметь длинные низкочастотные ноты. Энергия, необходимая усилителю сабвуфера, будет существенно отличаться для этих двух приложений.

Если вы хотите получить максимальную мощность от своих усилителей, ориентируйтесь на максимальное падение напряжения на самой длинной длине провода в 0,25 вольта — это хорошая точка отсчета. Если вас не так беспокоит мощность, как стоимость установки, то график падения в 0,5 вольта — приемлемая уступка.

Помните, что приведенные выше таблицы основаны на полных медных проводниках AWG-размера . Если ваш установщик намерен использовать луженую медь, вам может понадобиться провод на один размер больше. Если провод недостаточного размера или изготовлен из алюминия с медным покрытием, то никто не знает, какой ток он может выдержать. Обратитесь в специализированный магазин мобильной электроники , чтобы выбрать высокопроизводительные усилители и провода питания соответствующего размера, чтобы гарантировать, что ваша автомобильная стереосистема будет звучать отлично и работать надежно.