Teoría eléctrica del audio para automóviles: corriente alterna y señales de audio

En nuestra serie continua de artículos sobre teoría eléctrica del audio para automóviles, vamos a introducir el concepto de fuentes de alimentación y señales de corriente alterna. Comprender los fundamentos de la CA es crucial para entender cómo funciona un sistema de audio móvil. Este artículo utiliza muchas referencias a los sistemas de distribución de electricidad usados en nuestros hogares y oficinas para ayudar a establecer una comprensión básica de los circuitos de CA. Construiremos sobre esta base en este y los siguientes artículos para ayudar a formar una comprensión de las complejidades de los sistemas de CA.

La diferencia entre CA y CC

El voltaje producido por el sistema eléctrico de nuestros vehículos se llama corriente continua. Los electrones fluyen en una sola dirección desde un terminal de la batería al otro (excepto cuando estamos recargando la batería). Aunque hay cambios en el nivel de voltaje al añadir cargas al circuito, o cuando el alternador empieza a recargar la batería, la dirección del flujo de corriente hacia los dispositivos eléctricos y electrónicos del vehículo nunca cambia.

Por el contrario, la energía suministrada por tu compañía eléctrica local para alimentar las luces y electrodomésticos en nuestros hogares y trabajos se llama corriente alterna. Recibe este nombre porque el flujo de electrones cambia de dirección 60 veces por segundo. Sí, esto suena extraño. ¿Quién querría que su energía vaya de ida y vuelta? 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 arcilla que contenía placas de estaño y una varilla de hierro. Si se llenaba con una solución ácida como vinagre, se producía un voltaje en los terminales metálicos. Se cree que esta primera batería se creó hace más de 2.000 años. Todas las baterías son fuentes de energía de corriente continua.

El uso de la electricidad para realizar trabajo empezó a popularizarse a finales del siglo XIX, y como tal, la necesidad de entregar electricidad a hogares y oficinas se volvió necesaria. El problema de entregar 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 × V) en el circuito. La potencia también es proporcional al cuadrado de la corriente en el circuito relativa a la resistencia (P = I² × R). Si podemos transmitir energía con más voltaje y menos corriente, se desperdicia menos potencia en los cables de transmisión.

Adopción de la 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 voltaje y corriente usando un transformador. Un transformador es un dispositivo que usa campos magnéticos para aumentar o disminuir la relación voltaje-corriente. Por ejemplo, un transformador ideal 2:1 convertiría 10 voltios y cinco amperios de CA en cinco voltios y 10 amperios.

Se atribuye a George Westinghouse la popularización de la entrega de energía CA a los hogares, gracias a que se le adjudicó 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 a entre 155.000 y 765.000 voltios usando un transformador para la distribución por el estado o provincia. La mayoría de las torres de alta tensión que ves junto a la carretera o en claros tienen alrededor de 500.000 voltios fluyendo 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 alta tensión se reduce a voltajes más bajos para la distribución por 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. Transformadores en gabinetes al lado de la carretera o instalados bajo tierra convierten ese voltaje en las alimentaciones de 120 V que van a los paneles eléctricos en nuestros hogares.

Como ejemplo, veamos 1 milla de cable trenzado 8 AWG. Según el estándar American Wire Gauge, 1 milla de cable de cobre 8 AWG tendrá una resistencia máxima de 3,782 ohmios y una resistencia ideal de 3,6 ohmios.

Si queremos entregar 5.000 vatios de potencia a través de esta milla de cable, habrá algo de energía perdida por la resistencia del cable. Si transmitimos nuestra potencia a 240 voltios, habrá 20,83 amperios de corriente fluyendo en el cable. Con una resistencia de 3,6 ohmios, el propio cable causa una pérdida de 1.562,5 vatios 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 cae a 0,3125 vatios y solo perdemos 1,125 voltios en el cable.

Las líneas de transmisión de alto voltaje son cómo las compañías eléctricas pueden entregar megavatios de electricidad a largas distancias con pérdida mínima de potencia. A 500.000 voltios, podemos transmitir 1 megavatio de electricidad a 100 millas y perder solo 720 voltios. ¡Eso es un 0,144 por ciento!

Basta de hablar sobre la relación de la potencia CA y el voltaje. Hablemos de sistemas de audio.

Una primera mirada 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 usando un micrófono que funciona de manera opuesta a un altavoz. La energía del sonido mueve un pequeño diafragma que incluye una bobina de alambre. La bobina de alambre se mueve 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 vista en un osciloscopio. La persona que habla dijo la palabra "audio".

Comprendiendo 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 algunos cálculos deben completarse antes de poder aplicar la ley de Ohm. Veremos la alimentación residencial de 120 V, 60 Hz para explicar las matemáticas en los términos más simples.

Para medir la potencia, necesitamos ver la cantidad de trabajo completado en un período dado. 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 el número de electrones que fluyen a través de la bombilla durante un tiempo determinado.

Para determinar el trabajo realizado por un voltaje de CA, necesitamos calcular el valor de esa señal que hace la misma cantidad de trabajo que un voltaje de CC. Este valor se llama RMS (valor cuadrático medio) o root mean square, y es 1/√2, o 0,70711 para ondas sinusoidales. Para nuestra alimentación de 120 V que sale de la pared, 120 V es el voltaje RMS. El voltaje pico es de aproximadamente 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 RMS de CA puede realizar la misma cantidad de trabajo que un voltaje de CC del mismo valor.

La imagen siguiente muestra un solo ciclo de una forma de onda sinusoidal. El voltaje pico 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 los cables de previo y altavoz de nuestro sistema estéreo son señales de corriente alterna. En el próximo artículo, discutiremos el concepto de frecuencia y amplitud con más detalle.