Teoría eléctrica de equipos de audio para automóviles:cálculo del trabajo y la potencia en circuitos de CC

En nuestra serie de artículos en curso sobre teoría eléctrica de audio para automóviles, vamos a presentar el concepto de fuentes de alimentación de corriente alterna y señales Comprender los conceptos básicos de AC es crucial para comprender cómo funciona un sistema de audio móvil. Este artículo utiliza muchas referencias a los sistemas de suministro de electricidad utilizados en nuestros hogares y oficinas para ayudar a establecer una comprensión básica de los circuitos de CA. Construiremos sobre esta base en este artículo y en los siguientes para ayudar a formar una comprensión de las complejidades de los sistemas de CA.

La diferencia entre CA y CC

La tensión que produce el sistema eléctrico de nuestros vehículos se denomina corriente continua. Los electrones fluyen en una dirección de un terminal de la batería al otro (excepto cuando estamos recargando la batería). Si bien hay cambios en el nivel de voltaje a medida que agregamos cargas al circuito, o cuando el alternador comienza a recargar la batería, la dirección del flujo de corriente a los dispositivos eléctricos y electrónicos del vehículo nunca cambia.

Por el contrario, la energía suministrada por su compañía eléctrica local para encender las luces y los electrodomésticos de nuestros hogares y del trabajo se denomina corriente alterna. Tiene este nombre porque el flujo de electrones cambia de dirección 60 veces por segundo. Sí, esto suena raro. ¿Quién querría que su poder vaya y venga? No te preocupes; lo explicaremos todo en breve. Sigue leyendo.

Pérdida de potencia en cables de transmisión

Los investigadores creen que la primera fuente de energía eléctrica fue una vasija de barro que contenía láminas de hojalata y una barra de hierro. Si se llena con una solución ácida como el vinagre, se producirá un voltaje en los terminales metálicos. La creencia es que esta primera batería se creó hace más de 2.000 años. Todas las baterías son fuentes de alimentación de corriente continua.

El uso de electricidad para hacer el trabajo comenzó a popularizarse a fines del siglo XIX y, como tal, se hizo necesaria la necesidad de llevar electricidad a los hogares y las oficinas. El problema con la entrega de energía a largas distancias es la pérdida de voltaje en los cables debido a su resistencia.

Como sabemos por la ley de Ohm y los cálculos de potencia que hemos discutido recientemente, la potencia en un circuito es directamente proporcional a la corriente y el voltaje (P =I x V) en el circuito. La potencia también es proporcional al cuadrado de la corriente en el circuito en relación con la resistencia (P =I^2 x R). Si podemos transmitir energía con más voltaje y menos corriente, se desperdicia menos energía en los cables de transmisión.

Adopción de corriente alterna

Un beneficio significativo de las fuentes de alimentación de corriente alterna en aplicaciones comerciales y residenciales es que es fácil cambiar la relación entre el voltaje y la corriente usando un transformador. Un transformador es un dispositivo que utiliza campos magnéticos para aumentar o disminuir la relación entre voltaje y corriente. Por ejemplo, un transformador 2:1 ideal convertiría 10 voltios y cinco amperios de CA en cinco voltios y 10 amperios.

A George Westinghouse se le atribuye la popularización de la entrega de energía de CA a los hogares, gracias a que se le otorgó el contrato para suministrar energía para iluminar la Exposición Colombina de la Feria Mundial de 1893. Westinghouse usó transformadores basados ​​en patentes que compró a Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs. Gaulard y Gibbs inventaron el transformador en Londres en 1881.

La salida de un generador en una planta nuclear, de carbón o hidroeléctrica es de 20 a 22 kilovoltios. Este voltaje se eleva entre 155.000 y 765.000 voltios mediante un transformador para su distribución en todo el estado o provincia. La mayoría de las torres de alto voltaje que se ven a lo largo de la carretera o en los claros tienen alrededor de 500 000 voltios que fluyen a través de los tres conductores de energía.

Cada ciudad o parte de una ciudad tendrá algún tipo de subestación eléctrica donde la electricidad de estas líneas de alto voltaje se reduce a voltajes más bajos para su distribución en diferentes vecindarios. Estos voltajes suelen estar en el rango de 16 kV para mantener un nivel adecuado de eficiencia de transmisión en estas distancias cortas a moderadas. Los transformadores en recintos al costado de la carretera o instalados bajo tierra convierten ese voltaje en alimentaciones de 120 V que van a los paneles eléctricos en nuestros hogares.

A modo de ejemplo, veamos 1 milla de cable trenzado de 8 AWG. De acuerdo con el estándar American Wire Gauge, 1 milla de cable de cobre de 8 AWG tendrá una resistencia máxima de 3,782 ohmios y una resistencia ideal de 3,6 ohmios.

If we want 5,000 watts of power delivered through this mile of cable, there will be some energy lost to the resistance in the cable. If we transmit our power at 240 volts, there will be 20.83 amps of current flowing in the cable. With a resistance of 3.6 ohms, the cable itself causes a loss of 1562.5 and we lose 75 volts across the cable. Clearly, low-voltage signal transmission over long distances doesn’t work.

If we increase the voltage up to 16,000 volts, the power loss in the cable drops to 0.3125 watts and we only lose 1.125 volts to the cable.

High-voltage transmission lines are how electric companies can deliver megawatts of electricity over long distances with minimal power loss. At 500,000 volts, we can transmit 1 megawatt of electricity over 100 miles and lose only 720 volts. That’s 0.144 percent!

OK, enough about the relationship of AC power and voltage. Let’s talk about audio systems.

A First Look at Audio Signals

Unlike the 60Hz AC waveform that feeds our homes, audio signals contain voltage information that mimics the changes in air pressure that we would perceive as sound. In most cases, sounds are recorded using a microphone that works in the opposite way a speaker does. Sound energy moves a small diaphragm that includes a coil of wire. The coil of wire moves past a fixed magnet. The motion of the coil through the magnetic field induces a voltage in the wire. The distance the diaphragm moves determines the amplitude of the voltage signal. Louder sounds produce higher voltages.

Below is a picture of an audio waveform as seen on an oscilloscope. The person speaking said the word audio.

Understanding Power in Alternating Current Circuits

The basic concept of power in an AC circuit is the same as for a DC circuit, but some calculations need to be completed before we can apply Ohm’s law. We’ll look at the 120V, 60Hz residential power supply to explain the math in the simplest of terms.

To measure power, we need to look at the amount of work completed over a given period. In the case of a light bulb plugged into an outlet, the filament doesn’t care which direction current is flowing, but the amount of light and heat created depends on the amplitude of the voltage supplied. The work done by the bulb is calculated by the number of electrons that flow through the bulb for a given amount of time.

To determine the work done by an AC voltage, we need to calculate the value of that signal that does the same amount of work as a DC voltage. This value is called the RMS or root mean square value and is 1/sqrt 2, or 0.70711 for sine waves. For our 120V power feed coming out of the wall, 120V volts is the RMS voltage. The peak voltage is about 167.7 volts. To be clear, the value of 0.70711 only works for a sinusoidal waveform. The RMS value of a square wave is 1.0 and for a symmetrical triangle wave is 0.577.

By definition, the RMS AC voltage can perform the same amount of work as DC voltage of the same value.

The image below shows a single cycle of a sinusoidal waveform. The peak voltage is 167.7 volts, and the two orange lines define the RMS value of 120V.

Basic Understanding of Alternating Current Sources and Signals

For this article, the takeaway is that the audio waveforms on the preamp and speaker wires in our stereo system are alternating current signals. In the next article, we will discuss the concept of frequency and amplitude in more detail.