Teoría eléctrica del audio del automóvil:una introducción a la corriente alterna

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.

Si queremos 5000 vatios de potencia entregados a través de esta milla de cable, se perderá algo de energía debido a la resistencia en el cable. Si transmitimos nuestra potencia a 240 voltios, habrá 20,83 amperios de corriente circulando por el cable. Con una resistencia de 3,6 ohmios, el propio cable provoca una pérdida de 1562,5 y perdemos 75 voltios a lo largo del cable. Claramente, la transmisión de señales de bajo voltaje a largas distancias no funciona.

Si aumentamos el voltaje hasta 16.000 voltios, la pérdida de potencia en el cable baja a 0,3125 vatios y solo perdemos 1,125 voltios en el cable.

Las líneas de transmisión de alto voltaje son la forma en que las compañías eléctricas pueden entregar megavatios de electricidad a largas distancias con una pérdida mínima de energía. A 500.000 voltios, podemos transmitir 1 megavatio de electricidad a lo largo de 100 millas y perder solo 720 voltios. ¡Eso es 0,144 por ciento!

Bien, suficiente sobre la relación entre la alimentación de CA y el voltaje. Hablemos de los sistemas de audio.

Un primer vistazo a las señales de audio

A diferencia de la forma de onda de CA de 60 Hz que alimenta nuestros hogares, las señales de audio contienen información de voltaje que imita los cambios en la presión del aire que percibiríamos como sonido. En la mayoría de los casos, los sonidos se graban con un micrófono que funciona de forma opuesta a un altavoz. La energía del sonido mueve un pequeño diafragma que incluye una bobina de alambre. La bobina de alambre pasa junto a un imán fijo. El movimiento de la bobina a través del campo magnético induce un voltaje en el alambre. La distancia que se mueve el diafragma determina la amplitud de la señal de voltaje. Los sonidos más fuertes producen voltajes más altos.

A continuación se muestra una imagen de una forma de onda de audio como se ve en un osciloscopio. La persona que habla dijo la palabra audio.

Comprensión de la potencia en circuitos de corriente alterna

El concepto básico de potencia en un circuito de CA es el mismo que para un circuito de CC, pero se deben completar algunos cálculos antes de que podamos aplicar la ley de Ohm. Veremos la fuente de alimentación residencial de 120 V y 60 Hz para explicar las matemáticas en los términos más simples.

Para medir el poder, necesitamos observar la cantidad de trabajo completado durante un período determinado. En el caso de una bombilla enchufada a un tomacorriente, al filamento no le importa en qué dirección fluye la corriente, pero la cantidad de luz y calor creada depende de la amplitud del voltaje suministrado. El trabajo realizado por la bombilla se calcula por la cantidad de electrones que fluyen a través de la bombilla durante un período de tiempo determinado.

Para determinar el trabajo realizado por un voltaje de CA, necesitamos calcular el valor de esa señal que realiza la misma cantidad de trabajo que un voltaje de CC. Este valor se denomina RMS o valor cuadrático medio y es 1/sqrt 2, o 0,70711 para ondas sinusoidales. Para nuestra fuente de alimentación de 120 V que sale de la pared, 120 V voltios es el voltaje RMS. La tensión máxima es de unos 167,7 voltios. Para ser claros, el valor de 0.70711 solo funciona para una forma de onda sinusoidal. El valor RMS de una onda cuadrada es 1,0 y para una onda triangular simétrica es 0,577.

Por definición, el voltaje de CA RMS puede realizar la misma cantidad de trabajo que el voltaje de CC del mismo valor.

La siguiente imagen muestra un solo ciclo de una forma de onda sinusoidal. El voltaje máximo es de 167,7 voltios y las dos líneas naranjas definen el valor RMS de 120 V.

Comprensión básica de fuentes y señales de corriente alterna

Para este artículo, la conclusión es que las formas de onda de audio en el preamplificador y los cables de los altavoces en nuestro sistema estéreo son señales de corriente alterna. En el próximo artículo, discutiremos el concepto de frecuencia y amplitud con más detalle.