Теория электрооборудования автомобильной аудиосистемы - расчет работы и мощности в цепях постоянного тока

19.01.2021

В нашей текущей серии статей о теории электрооборудования автомобилей мы собираемся представить концепцию источников и сигналов переменного тока. Понимание основ AC имеет решающее значение для понимания того, как работает мобильная аудиосистема. В этой статье используется множество ссылок на системы подачи электроэнергии, используемые в наших домах и офисах, чтобы помочь получить базовое представление о цепях переменного тока. В этой и последующих статьях мы будем опираться на этот фундамент, чтобы лучше понять сложность систем переменного тока.

Разница между переменным и постоянным током

Напряжение, создаваемое электрической системой в наших автомобилях, называется постоянным током. Электроны текут в одном направлении от одного вывода аккумулятора к другому (кроме случаев, когда мы заряжаем аккумулятор). Хотя есть изменения в уровне напряжения, когда мы добавляем нагрузки в цепь или когда генератор переменного тока начинает подзаряжать аккумулятор, направление тока, протекающего к электрическим и электронным устройствам в автомобиле, никогда не меняется.

И наоборот, мощность, которую ваша местная электрическая компания обеспечивает для освещения и работы приборов в наших домах и на работе, называется переменным током. Он получил такое название, потому что поток электронов меняет направление 60 раз в секунду. Да, это звучит странно. Кому захочется, чтобы их сила текла вперед и назад? Не волнуйтесь; мы все это объясним в ближайшее время. Просто продолжай читать.

Потери мощности в передающих проводах

Исследователи считают, что первым источником электроэнергии был глиняный горшок с оловянными пластинами и железным стержнем. Если его заполнить кислотным раствором, например уксусом, на металлических выводах будет возникать напряжение. Считается, что эта первая батарея была создана более 2000 лет назад. Все батареи являются источниками постоянного тока.

Использование электричества для работы стало популярным в конце 1800-х годов, и поэтому возникла необходимость подавать электричество в дома и офисы. Проблема с передачей энергии на большие расстояния - потеря напряжения в проводах из-за их сопротивления.

Как мы знаем из закона Ома и расчетов мощности, которые мы недавно обсуждали, мощность в цепи прямо пропорциональна току и напряжению (P = I x V) в цепи. Мощность также пропорциональна квадрату тока в цепи относительно сопротивления (P = I ^ 2 x R). Если мы сможем передавать энергию с большим напряжением и меньшим током, меньше энергии будет тратиться впустую в проводах передачи.

Принятие переменного тока

Существенное преимущество источников питания переменного тока в коммерческих и жилых помещениях состоит в том, что можно легко изменить соотношение между напряжением и током с помощью трансформатора. Трансформатор - это устройство, которое использует магнитные поля для увеличения или уменьшения отношения напряжения к току. Например, идеальный трансформатор 2: 1 преобразует 10 вольт и пять ампер переменного тока в пять вольт и 10 ампер.

Джорджу Вестингаузу приписывают популяризацию подачи переменного тока в дома, благодаря контракту на поставку электроэнергии для освещения Колумбийской выставки 1893 года. Вестингауз использовал трансформаторы на основе патентов, которые он приобрел у Люсьена Голлара и Джона Диксона Гиббса. Голлард и Гиббс изобрели трансформатор в Лондоне в 1881 году.

Мощность генератора на атомной, угольной или гидроэлектростанции составляет от 20 до 22 киловольт. Это напряжение повышается до 155 000–765 000 вольт с помощью трансформатора для распределения по штату или провинции. Большинство высоковольтных вышек, которые вы видите вдоль шоссе или на полянах, имеют около 500000 вольт, протекающих через три силовых провода.

В каждом городе или части города будет какая-либо электрическая подстанция, где электричество от этих высоковольтных линий понижается до более низкого напряжения для распределения по различным районам. Эти напряжения обычно находятся в диапазоне 16 кВ для поддержания адекватного уровня эффективности передачи на этих коротких и умеренных расстояниях. Трансформаторы в корпусах на обочине дороги или установленные под землей преобразуют это напряжение в питание 120 В, которое подается на электрические панели в наших домах.

В качестве примера, давайте рассмотрим 1 милю многожильного кабеля 8 AWG. Согласно американскому стандарту калибра проводов, 1 миля медного провода 8 AWG будет иметь максимальное сопротивление 3,782 Ом и идеальное сопротивление 3,6 Ом.

Если мы хотим, чтобы через эту милю кабеля передавалась мощность 5000 ватт, некоторая энергия будет потеряна из-за сопротивления кабеля. Если мы передадим нашу мощность на 240 вольт, по кабелю будет протекать ток 20,83 ампер. При сопротивлении 3,6 Ом сам кабель вызывает потери 1562,5, и мы теряем 75 вольт на кабеле. Понятно, что передача сигнала низкого напряжения на большие расстояния не работает.

Если мы увеличим напряжение до 16000 вольт, потери мощности в кабеле упадут до 0,3125 Вт, и мы потеряем только 1,125 вольт в кабеле.

Линии электропередачи высокого напряжения - это то, как электрические компании могут доставлять мегаватты электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями мощности. При 500 000 вольт мы можем передать 1 мегаватт электроэнергии на 100 миль и потерять только 720 вольт. Это 0,144 процента!

Хорошо, достаточно о соотношении мощности переменного тока и напряжения. Поговорим об аудиосистемах.

Первый взгляд на звуковые сигналы

В отличие от сигнала переменного тока частотой 60 Гц, который подается в наши дома, звуковые сигналы содержат информацию о напряжении, которая имитирует изменения давления воздуха, которые мы воспринимаем как звук. В большинстве случаев звук записывается с помощью микрофона, который работает противоположно динамику. Звуковая энергия перемещает небольшую диафрагму, которая включает катушку с проволокой. Катушка с проволокой проходит мимо неподвижного магнита. Движение катушки через магнитное поле вызывает напряжение в проводе. Расстояние, на которое перемещается диафрагма, определяет амплитуду сигнала напряжения. Чем громче звуки, тем выше напряжение.

Понимание мощности в цепях переменного тока

Базовая концепция мощности в цепи переменного тока такая же, как и в цепи постоянного тока, но необходимо выполнить некоторые вычисления, прежде чем мы сможем применить закон Ома. Мы рассмотрим бытовой блок питания на 120 В, 60 Гц, чтобы объяснить математику простыми словами.

Чтобы измерить мощность, нам нужно посмотреть на объем работы, выполненной за определенный период. В случае, если лампочка подключена к розетке, нити накала не заботится, в каком направлении течет ток, но количество создаваемого света и тепла зависит от амплитуды подаваемого напряжения. Работа, выполняемая лампочкой, рассчитывается по количеству электронов, которые проходят через лампочку в течение заданного времени.

Чтобы определить работу, выполняемую напряжением переменного тока, нам необходимо вычислить значение этого сигнала, который выполняет ту же работу, что и напряжение постоянного тока. Это значение называется среднеквадратичным или среднеквадратичным значением и составляет 1 / sqrt 2, или 0,70711 для синусоидальных волн. Для нашего источника питания 120 В, выходящего из стены, 120 В является среднеквадратичным напряжением. Пиковое напряжение составляет около 167,7 вольт. Для ясности, значение 0,70711 работает только для синусоидальной формы волны. Среднеквадратичное значение прямоугольной волны составляет 1,0, а для симметричной треугольной волны - 0,577.

По определению, среднеквадратичное значение переменного напряжения может выполнять ту же работу, что и постоянное напряжение того же значения.

На изображении ниже показан один цикл синусоидальной формы волны. Пиковое напряжение составляет 167,7 В, а две оранжевые линии определяют среднеквадратичное значение 120 В.

Базовое понимание источников переменного тока и сигналов

Вывод из этой статьи заключается в том, что звуковые волны на проводах предусилителя и динамика в нашей стереосистеме являются сигналами переменного тока.