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 fornecidos por esta 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. Com uma resistência de 3,6 ohms, o próprio cabo causa uma perda de 1562,5 e perdemos 75 volts no cabo. Claramente, a transmissão de sinal de baixa tensão por longas distâncias não funciona.
Se aumentarmos a tensão em até 16.000 volts, a perda de potência no cabo cai para 0,3125 watts e perdemos apenas 1,125 volts no cabo.
As linhas de transmissão de alta tensão são como as empresas elétricas podem fornecer megawatts de eletricidade por longas distâncias com perda mínima de energia. A 500.000 volts, podemos transmitir 1 megawatt de eletricidade por 100 milhas e perder apenas 720 volts. Isso é 0,144 por cento!
OK, o suficiente sobre a relação de energia CA e tensão. Vamos falar sobre sistemas de áudio.
Uma primeira olhada nos sinais de áudio
Ao contrário da forma de onda AC de 60Hz que alimenta nossas casas, os sinais de áudio contêm informações de tensão que imitam as mudanças na pressão do ar que perceberíamos como som. Na maioria dos casos, os sons são gravados usando um microfone que funciona de maneira oposta a um alto-falante. A energia sonora move um pequeno diafragma que inclui uma bobina de fio. A bobina de fio passa por um ímã fixo. O movimento da bobina através do campo magnético induz uma tensão no fio. A distância que o diafragma se move determina a amplitude do sinal de tensão. Sons mais altos produzem voltagens mais altas.
Abaixo está uma imagem de uma forma de onda de áudio vista em um osciloscópio. A pessoa falando disse a palavra áudio.
Compreendendo a potência em circuitos de corrente alternada
O conceito básico de potência em um circuito CA é o mesmo de um circuito CC, mas alguns cálculos precisam ser concluídos antes que possamos aplicar a lei de Ohm. Veremos a fonte de alimentação residencial de 120V, 60Hz para explicar a matemática nos termos mais simples.
Para medir o poder, precisamos olhar para a quantidade de trabalho concluída em um determinado período. No caso de uma lâmpada conectada a uma tomada, o filamento não se importa em qual direção a corrente está fluindo, mas a quantidade de luz e calor criada depende da amplitude da tensão fornecida. O trabalho realizado pelo bulbo é calculado pelo número de elétrons que fluem através do bulbo por um determinado período de tempo.
Para determinar o trabalho realizado por uma tensão CA, precisamos calcular o valor desse sinal que realiza a mesma quantidade de trabalho que uma tensão CC. Esse valor é chamado de valor RMS ou raiz quadrada média e é 1/sqrt 2, ou 0,70711 para ondas senoidais. Para nossa alimentação de 120V saindo da parede, 120V volts é a tensão RMS. A tensão de pico é de cerca de 167,7 volts. Para ser claro, o valor de 0,70711 só funciona para uma forma de onda senoidal. O valor RMS de uma onda quadrada é 1,0 e para uma onda triangular simétrica é 0,577.
Por definição, a tensão RMS AC pode realizar a mesma quantidade de trabalho que a tensão DC do mesmo valor.
A imagem abaixo mostra um único ciclo de uma forma de onda senoidal. A tensão de pico é de 167,7 volts, e as duas linhas laranja definem o valor RMS de 120V.
Compreensão básica de fontes e sinais de corrente alternada
Para este artigo, a conclusão é que as formas de onda de áudio nos fios do pré-amplificador e do alto-falante em nosso sistema estéreo são sinais de corrente alternada. No próximo artigo, discutiremos o conceito de frequência e amplitude com mais detalhes.
