カー オーディオの電気理論 – 交流電流の紹介
現在進行中のカー オーディオの電気理論に関する一連の記事では、交流電源の概念と信号。 AC の基本を理解することは、モバイル オーディオ システムの仕組みを理解する上で非常に重要です。この記事では、AC 回路の基本的な理解を深めるために、家庭やオフィスで使用されている配電システムについて多くの参考文献を使用しています。 AC システムの複雑さを理解するのに役立つように、この記事と後続の記事でこの基礎を構築します。
交流と直流の違い
自動車の電気システムによって生成される電圧は直流と呼ばれます。電子は、バッテリーの一方の端子からもう一方の端子へ一方向に流れます (バッテリーを充電している場合を除く)。回路に負荷を追加したり、オルタネーターがバッテリーの充電を開始したりすると、電圧レベルが変化しますが、車両内の電気および電子デバイスに流れる電流の方向は決して変化しません。
逆に、家庭や職場の照明や電化製品を駆動するために地元の電力会社から供給される電力は、交流と呼ばれます。電子の流れが1秒間に60回向きを変えることからこの名前が付きました。はい、これは奇妙に聞こえます。誰が自分の力を行き来したいと思うでしょうか?心配しないでください。すぐにすべてを説明します。読み続けてください。
送電線の電力損失
研究者は、最初の電源はブリキの板と鉄の棒が入った土鍋だったと考えています。酢のような酸性溶液で満たされると、金属端子に電圧が発生します。この最初の電池は 2,000 年以上前に作られたと考えられています。すべてのバッテリーは直流電源です。
1800 年代後半に電気を使って仕事をすることが一般的になり始めたため、家庭やオフィスに電気を届ける必要が生じました。長距離にわたって電力を供給する際の問題は、ワイヤの抵抗によるワイヤの電圧損失です。
オームの法則と最近説明した電力計算からわかるように、回路の電力は回路の電流と電圧 (P =I x V) に正比例します。電力は、抵抗に対する回路内の電流の 2 乗にも比例します (P =I^2 x R)。より高い電圧とより少ない電流で送電できれば、送電線で浪費される電力は少なくなります。
交流の採用
商用および住宅用アプリケーションにおける交流電源の大きな利点は、変圧器を使用して電圧と電流の関係を簡単に変更できることです。変圧器は、磁場を使用して電圧と電流の比率を増減するデバイスです。たとえば、理想的な 2:1 変圧器は、10 ボルト 5 アンペアの AC を 5 ボルト 10 アンペアに変換します。
ジョージ ウェスティングハウスは、1893 年に開催された万国博覧会のコロンビア博覧会の照明に電力を供給する契約を獲得したおかげで、家庭への AC 電源の供給を普及させたとされています。ウェスティングハウスは、Lucien Gaulard と John Dixon Gibbs から購入した特許に基づいて変圧器を使用しました。 Gaulard と Gibbs は、1881 年にロンドンで変圧器を発明しました。
原子力、石炭、または水力発電所の発電機の出力は 20 ～ 22 キロボルトです。この電圧は、変圧器を使用して 155,000 ～ 765,000 ボルトに昇圧され、州または州全体に分配されます。高速道路沿いや空き地にある高圧鉄塔のほとんどは、3 本の電力導体に約 500,000 ボルトが流れています。
各都市または都市の一部には、これらの高電圧線からの電気がさまざまな近隣に配電するために低電圧に降圧される、ある種の変電所があります。これらの電圧は通常、これらの短距離から中距離で適切なレベルの伝送効率を維持するために 16kV の範囲にあります。道路脇のエンクロージャ内または地下に設置された変圧器は、その電圧を家庭内の配電盤に流れる 120 V 給電に変換します。
例として、1 マイルの 8 AWG より線ケーブルを見てみましょう。アメリカのワイヤ ゲージ規格によると、1 マイルの 8 AWG 銅線の最大抵抗は 3.782 オームで、理想的な抵抗は 3.6 オームです。
この 1 マイルのケーブルで 5,000 ワットの電力を供給したい場合、ケーブルの抵抗でいくらかのエネルギーが失われます。ケーブル。 240 ボルトで電力を伝送すると、ケーブルには 20.83 アンペアの電流が流れます。 3.6 オームの抵抗では、ケーブル自体が 1562.5 の損失を引き起こし、ケーブル全体で 75 ボルトを失います。明らかに、長距離の低電圧信号伝送は機能しません。
電圧を 16,000 ボルトまで上げると、ケーブルの電力損失は 0.3125 ワットに低下し、ケーブルへの損失は 1.125 ボルトだけです。
高電圧送電線は、電力会社が最小限の電力損失で長距離にわたってメガワットの電力を供給する方法です。 500,000 ボルトでは、1 メガワットの電気を 100 マイルにわたって伝送でき、損失は 720 ボルトだけです。 0.144% です!
OK、AC 電源と電圧の関係については十分です。オーディオ システムについて話しましょう。
音声信号の初見
私たちの家に供給される 60Hz の AC 波形とは異なり、オーディオ信号には、私たちが音として知覚する気圧の変化を模倣する電圧情報が含まれています。ほとんどの場合、音声はスピーカーとは逆の働きをするマイクを使用して録音されます。音のエネルギーは、ワイヤのコイルを含む小さなダイヤフラムを動かします。ワイヤーのコイルは、固定された磁石を通過します。磁場を通過するコイルの動きにより、ワイヤに電圧が誘導されます。ダイアフラムが移動する距離によって、電圧信号の振幅が決まります。音が大きいほど電圧が高くなります。
以下は、オシロスコープで見たオーディオ波形の写真です。話している人はオーディオという言葉を言いました。
交流回路の電力を理解する
AC 回路における電力の基本概念は DC 回路と同じですが、オームの法則を適用する前にいくつかの計算を完了する必要があります。最も簡単な用語で数学を説明するために、120V、60Hz の住宅用電源を見ていきます。
電力を測定するには、特定の期間に完了した作業量を調べる必要があります。コンセントに差し込まれた電球の場合、フィラメントは電流がどちらの方向に流れているかを気にしませんが、生成される光と熱の量は、供給される電圧の振幅に依存します。電球が行う仕事は、一定時間電球を流れる電子の数によって計算されます。
AC 電圧によって行われる仕事を決定するには、DC 電圧と同じ量の仕事をする信号の値を計算する必要があります。この値は RMS または二乗平均平方根値と呼ばれ、1/sqrt 2、つまり正弦波の場合は 0.70711 です。壁から出てくる 120V 給電の場合、120V ボルトが RMS 電圧です。ピーク電圧は約 167.7 ボルトです。明確にするために、0.70711 の値は正弦波に対してのみ機能します。方形波の RMS 値は 1.0 で、対称三角波の場合は 0.577 です。
定義により、RMS AC 電圧は、同じ値の DC 電圧と同じ量の仕事を実行できます。
下の画像は、正弦波の 1 サイクルを示しています。ピーク電圧は 167.7 ボルトで、2 つのオレンジ色の線は 120 V の RMS 値を定義します。
交流電源と信号の基本的な理解
この記事の要点は、ステレオ システムのプリアンプとスピーカー ワイヤのオーディオ波形が交流信号であることです。次の記事では、周波数と振幅の概念について詳しく説明します。