Em nossa série contínua de artigos sobre teoria elétrica de áudio automotivo, vamos introduzir o conceito de fontes de energia de corrente alternada e sinais. Entender os fundamentos de CA é crucial para entender como um sistema de áudio móvel funciona. Este artigo usa muitas referências aos sistemas de entrega de eletricidade usados em nossas casas e escritórios para ajudar a estabelecer um entendimento básico de circuitos CA. Construiremos sobre esta base neste e nos artigos subsequentes para ajudar a formar um entendimento das complexidades dos sistemas CA.
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). Embora haja 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 no veículo nunca muda.
Por outro lado, a energia fornecida pela sua empresa elétrica local para acionar as luzes e eletrodomésticos em nossas casas e no trabalho é chamada de corrente alternada. Ela tem este nome porque o fluxo de elétrons muda de direção 60 vezes por segundo. Sim, isso soa estranho. Quem iria querer sua energia indo para frente e para trás? Não se preocupe; explicaremos tudo em breve. Apenas continue lendo.
Pesquisadores acreditam que a primeira fonte de energia elétrica foi um pote de argila que continha placas de estanho e uma haste de ferro. Se preenchido com uma solução ácida como vinagre, uma tensão seria produzida nos terminais metálicos. Acredita-se que esta primeira bateria foi criada há mais de 2.000 anos. Todas as baterias são fontes de energia de corrente contínua.
Usar eletricidade para fazer trabalho começou a se tornar popular no final de 1800, e como tal, a necessidade de entregar eletricidade a casas e escritórios tornou-se necessária. O problema com entregar energia por longas distâncias é perda de tensão nos fios por causa de sua resistência.
Como sabemos da lei de Ohm e dos 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 relativa à resistência (P = I² x R). Se pudermos transmitir energia com mais tensão e menos corrente, menos energia é desperdiçada nos fios de transmissão.
Um benefício significativo de fontes de energia de corrente alternada em aplicações comerciais e residenciais é que é fácil mudar a relação entre tensão e corrente usando um transformador. Um transformador é um dispositivo que usa campos magnéticos para aumentar ou diminuir a razão tensão-corrente. Por exemplo, um transformador ideal 2:1 converteria 10 volts e cinco amps de CA em cinco volts e 10 amps.
George Westinghouse é creditado com a popularização da entrega de energia CA para casas, graças a ser premiado com o contrato para fornecer energia para iluminar a Exposição Colombiana da Feira Mundial de 1893. Westinghouse usou transformadores baseados em patentes que comprou de Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs. Gaulard e Gibbs inventaram o transformador em Londres em 1881.
A saída de um gerador em uma usina nuclear, carvão ou hidrelétrica é de 20 a 22 quilovolts. Esta tensão é elevada para entre 155.000 a 765.000 volts usando um transformador para distribuição pelo 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 porção de uma cidade terá algum tipo de subestação elétrica onde a eletricidade destas linhas de alta tensão é reduzida para tensões mais baixas para distribuição por diferentes bairros. Estas tensões estão geralmente na faixa de 16 kV para manter um nível adequado de eficiência de transmissão sobre estas distâncias curtas a moderadas. Transformadores em caixas ao lado da estrada ou instalados subterraneamente convertem essa tensão para as alimentações de 120V que vão para os painéis elétricos em nossas casas.
Como exemplo, vamos olhar para 1 milha de cabo trançado 8 AWG. Segundo o padrão American Wire Gauge, 1 milha de fio de cobre 8 AWG terá resistência máxima de 3,782 ohms e resistência ideal de 3,6 ohms.
Se quisermos 5.000 watts de potência entregues através desta milha de cabo, haverá alguma energia perdida para a resistência no cabo. Se transmitirmos nossa energia a 240 volts, haverá 20,83 amps de corrente fluindo no cabo. Com resistência de 3,6 ohms, o próprio cabo causa perda de 1562,5 watts e perdemos 75 volts através do cabo. Claramente, transmissão de sinal de baixa tensão por longas distâncias não funciona.
Se aumentarmos a tensão para 16.000 volts, a perda de potência no cabo cai para 0,3125 watts e perdemos apenas 1,125 volts para o cabo.
Linhas de transmissão de alta tensão são como empresas elétricas podem entregar megawatts de eletricidade por longas distâncias com perda mínima de potência. 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, chega sobre a relação de potência e tensão CA. Vamos falar sobre sistemas de áudio.
Diferente da forma de onda CA de 60Hz que alimenta nossas casas, sinais de áudio contêm informação de tensão que imita as mudanças na pressão do ar que perceberíamos como som. Na maioria dos casos, sons são gravados usando um microfone que funciona da maneira oposta a um alto-falante. 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 move determina a amplitude do sinal de tensão. Sons mais altos produzem tensões mais altas.
Abaixo está uma imagem de uma forma de onda de áudio vista em um osciloscópio. A pessoa falando disse a palavra "audio".
O conceito básico de potência em um circuito CA é o mesmo que para um circuito CC, mas alguns cálculos precisam ser completados antes que possamos aplicar a lei de Ohm. Olharemos para a fonte de energia residencial de 120V, 60Hz para explicar a matemática nos termos mais simples.
Para medir potência, precisamos olhar para a quantidade de trabalho completado sobre um determinado período. No caso de uma lâmpada plugada em uma tomada, o filamento não se importa com qual direção a corrente está fluindo, mas a quantidade de luz e calor criada depende da amplitude da tensão fornecida. O trabalho feito pela lâmpada é calculado pelo número de elétrons que fluem através da lâmpada por um determinado tempo.
Para determinar o trabalho feito por uma tensão CA, precisamos calcular o valor desse sinal que faz a mesma quantidade de trabalho que uma tensão CC. Este valor é chamado de RMS ou valor quadrático médio e é 1/√2, ou 0,70711 para ondas senoidais. Para nossa alimentação de 120V saindo da tomada, 120V volts é a tensão RMS. A tensão de pico é 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 AC RMS pode realizar a mesma quantidade de trabalho que tensão CC do mesmo valor.
A imagem abaixo mostra um único ciclo de uma forma de onda senoidal. A tensão de pico é 167,7 volts, e as duas linhas laranjas definem o valor RMS de 120V.
Para este artigo, a lição principal é que as formas de onda de áudio nos fios de pré-amplificador e alto-falante em nosso sistema estéreo são sinais de corrente alternada. No próximo artigo, discutiremos o conceito de frequência e amplitude em mais detalhes.
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