Em nossa série contínua de artigos sobre teoria elétrica de áudio automotivo, vamos apresentar o conceito de fontes de energia de corrente alternada e sinais. Compreender os conceitos básicos de AC é crucial para entender como funciona um sistema de áudio móvel. Este artigo usa muitas referências aos sistemas de distribuição de eletricidade usados em nossas casas e escritórios para ajudar a estabelecer uma compreensão básica dos circuitos CA. Desenvolveremos essa base neste e nos artigos subsequentes para ajudar a compreender as complexidades dos sistemas de CA.
A diferença entre CA e CC
A tensão produzida pelo sistema elétrico em nossos veículos é chamada de corrente contínua. Os elétrons fluem em uma direção de um terminal da bateria para o outro (exceto quando estamos recarregando a bateria). Enquanto houver mudanças no nível de tensão à medida que adicionamos cargas ao circuito, ou quando o alternador começa a recarregar a bateria, a direção do fluxo de corrente para os dispositivos elétricos e eletrônicos do veículo nunca muda.
Por outro lado, a energia fornecida por sua companhia elétrica local para acionar as luzes e eletrodomésticos em nossas casas e no trabalho é chamada de corrente alternada. Tem esse nome porque o fluxo de elétrons muda de direção 60 vezes por segundo. Sim, isso soa estranho. Quem iria querer que seu poder fosse para frente e para trás? Não se preocupe; explicaremos tudo em breve. Apenas continue lendo.
Perda de potência nos fios de transmissão
Pesquisadores acreditam que a primeira fonte de energia elétrica foi uma panela de barro que continha folhas de flandres e uma barra de ferro. Se preenchido com uma solução ácida como vinagre, uma tensão seria produzida nos terminais de metal. A crença é que esta primeira bateria foi criada há mais de 2.000 anos. Todas as baterias são fontes de alimentação de corrente contínua.
O uso de eletricidade para fazer o trabalho começou a se tornar popular no final de 1800 e, como tal, a necessidade de fornecer eletricidade para residências e escritórios tornou-se necessária. O problema de fornecer energia a longas distâncias é a perda de tensão nos fios devido à sua resistência.
Como sabemos pela lei de Ohm e pelos cálculos de potência que discutimos recentemente, a potência em um circuito é diretamente proporcional à corrente e tensão (P =I x V) no circuito. A potência também é proporcional ao quadrado da corrente no circuito em relação à resistência (P =I^2 x R). Se pudermos transmitir energia com mais tensão e menos corrente, menos energia será desperdiçada nos fios de transmissão.
Adoção de corrente alternada
Um benefício significativo das fontes de alimentação de corrente alternada em aplicações comerciais e residenciais é que é fácil alterar a relação entre tensão e corrente usando um transformador. Um transformador é um dispositivo que usa campos magnéticos para aumentar ou diminuir a relação tensão/corrente. Por exemplo, um transformador 2:1 ideal converteria 10 volts e cinco amperes de CA em cinco volts e 10 amperes.
George Westinghouse é creditado com a popularização do fornecimento de energia CA para residências, graças ao contrato para fornecer energia para iluminar a Exposição Colombiana da Feira Mundial de 1893. A Westinghouse usou transformadores com base em patentes que ele comprou de Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs. Gaulard e Gibbs inventaram o transformador em Londres em 1881.
A potência de um gerador em uma usina nuclear, a carvão ou hidrelétrica é de 20 a 22 quilovolts. Esta tensão é aumentada para entre 155.000 a 765.000 volts usando um transformador para distribuição em todo o estado ou província. A maioria das torres de alta tensão que você vê ao longo da rodovia ou em clareiras tem cerca de 500.000 volts fluindo através dos três condutores de energia.
Cada cidade ou parte de uma cidade terá algum tipo de subestação elétrica onde a eletricidade dessas linhas de alta tensão é reduzida para tensões mais baixas para distribuição em diferentes bairros. Essas tensões geralmente estão na faixa de 16kV para manter um nível adequado de eficiência de transmissão nessas distâncias curtas a moderadas. Transformadores em recintos à beira da estrada ou instalados no subsolo convertem essa tensão para as alimentações de 120V que vão para os painéis elétricos em nossas casas.
A título de exemplo, vejamos 1,6 km de cabo trançado 8 AWG. De acordo com o padrão American Wire Gauge, 1 milha de fio de cobre 8 AWG terá uma resistência máxima de 3,782 ohms e uma resistência ideal de 3,6 ohms.
Se quisermos 5.000 watts de potência entregues através desta milha de cabo, haverá alguma perda de energia para a resistência no cabo. Se transmitirmos nossa energia a 240 volts, haverá 20,83 amperes de corrente fluindo no cabo. 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.
