Teorija elektrike zvuka automobila – Kapacitivnost i induktivitet
Kako se približavamo kraju naše rasprave o teoriji elektrike zvuka automobila, moramo razgovarati o kapacitetu i induktivitetu i kako karakteristike tih pojava su u interakciji s AC i DC signalima. Nema sumnje da su to napredni koncepti, ali čak i osnovno razumijevanje rada kondenzatora i induktora ključno je za temeljito razumijevanje sustava mobilne elektronike.
Što je kondenzator?
Kondenzator je elektronička komponenta s dva priključka koja pohranjuje energiju. Kondenzatori su napravljeni od dvije metalne ploče koje su odvojene električnim izolatorom. Kada primijenimo napon na jedan priključak kondenzatora, elektroni na jednoj ploči će nametnuti silu na suprotnu ploču kako bi stvorili suprotni naboj. Rezultat je da ploče imaju jednake i suprotne naboje i stoga održavaju električno polje. Budući da su ploče u kondenzatoru vrlo blizu jedna drugoj, mogu pohraniti veliku količinu energije za svoju ukupnu veličinu.
Kondenzatori se kvantificiraju u jedinicama farada. Farad se definira kao jedan kulon naboja na svakoj ploči, što rezultira naponom od jednog volta na terminalima.
Kondenzatori u istosmjernim krugovima
Kondenzatori su, u svojoj najosnovnijoj funkciji, uređaji koji pohranjuju mikroskopsko magnetsko polje između svojih ploča. Kada na ispražnjeni kondenzator primijenimo istosmjerni napon, on se na trenutak čini kao kratki spoj jer se između njegovih ploča počinju stvarati magnetsko i električno polje. Kako kondenzator počinje skladištiti energiju, povećava se njegov efektivni otpor, a količina struje koja teče kroz uređaj se smanjuje. Nakon što se kondenzator izjednači s naponom napajanja, kroz uređaj gotovo da ne prolazi struja.
Kada isključimo napon napajanja s kondenzatora, on će pokušati održati napon na stezaljkama. Upravo ta karakteristika čini kondenzatore idealnim rješenjem za smanjenje varijacija u naponu. Kondenzatori su otporni na promjene napona.
Unutar pojačala u audiosustavima naših automobila, kondenzatori se koriste za pohranjivanje velikih količina energije na naponu tračnice. Kada postoji iznenadna potražnja za strujom koja premašuje sposobnost napajanja, kondenzatori će osloboditi energiju kako bi održali svoj početni napon. Ova karakteristika pomaže stabilizirati napon pojačala tijekom dinamičkih prijelaza. Isti se koncept odnosi na "kondenzatore za ukrućenje" koji se koriste na 12V dovodu vašeg pojačala. Kada se implementira pomoću visokokvalitetnih komponenti, dodavanje velikog kondenzatora može pomoći u pružanju prolazne struje pojačalu.
Kondenzator u AC krugovima
U krugovima izmjenične struje, kondenzatori poprimaju zanimljiv fenomen "virtualnog otpora". Kao što znamo, kondenzatori ne vole mijenjati napon, ali AC signal je definiran kao stalno promjenjiv. Ovisno o odnosu između vrijednosti kondenzatora i frekvencije AC signala, određena količina struje može proći kroz kapu.
Ako pokušamo izmjeriti otpor kondenzatora konvencionalnim multimetrom, vidjet ćemo da pokazuje izuzetno visoku vrijednost. Za AC signale koristimo formulu Xc =1 / (2 x 3,1416 x F x C) za izračun efektivnog otpora, gdje je F frekvencija signala, a C vrijednost kondenzatora u faradima. Budući da ovaj otpor nije prisutan u istosmjernim signalima, nazivamo ga kapacitivna reaktancija.
Ako želimo stvoriti jednostavan krug filtera za ograničavanje količine niskofrekventnog signala koji ide do zvučnika, mogli bismo spojiti nepolarizirani kondenzator u seriju sa zvučnikom. Da bismo izračunali frekvenciju na kojoj kapa počinje smanjivati basove koji idu prema zvučniku, možemo preurediti gornju jednadžbu u F =1 / (2 x 3,1416 x R x C), gdje je R ista vrijednost kao otpor zvučnika. Za zvučnik od četiri ohma i kondenzator vrijednosti 200 uF (mikrofarada) dobivamo frekvenciju od 198,9 Hz. Na ovoj frekvenciji, čini se da kondenzator ima istu reaktanciju kao i zvučnik, a signal koji ide do zvučnika smanjen je za 50 posto. Budući da je kapacitet obrnuto proporcionalan frekvenciji, impedancija kondenzatora raste kako se frekvencija smanjuje. Na 99 Hz, reaktancija je 8 ohma, na 50 Hz je 16 ohma, i tako dalje. Ovaj fenomen istovremeno smanjuje struju koju dovodi pojačalo i djeluje kao razdjelnik napona između kape i zvučnika.
Kondenzator u seriji sa zvučnikom poznat je kao visokopropusni filtar prvog reda. Smanjuje izlaz zvučnika brzinom od -6dB po oktavi kako se udaljavate od frekvencije skretnice kako je gore definirano. Kondenzatori su prikladni kao filteri za srednjetonske i visokofrekventne pokretače u pasivnim izvedbama i kao zaštitni uređaji za visokotonce u aktivnim izvedbama.
Što je induktor?
Najednostavnije rečeno, induktor je zavojnica žice koja stvara magnetsko polje na temelju količine struje koja teče kroz to. Mnogi induktori imaju željezne jezgre za povećanje intenziteta magnetskog polja. Gdje se kondenzator opire promjenama napona, induktor se opire promjenama strujnog toka. Iz našeg prethodnog članka o magnetizmu znamo da struja koja teče kroz vodič stvara magnetsko polje oko tog vodiča. Ako vodič omotamo u petlju, blizina petlji jedna drugoj pojačava magnetsko polje.
Također iz našeg prethodnog članka također znamo da magnetsko polje može nametnuti napon na vodič. Ako se struja u induktoru pokuša promijeniti, magnetsko polje pokušava stvoriti napon preko uređaja kako bi održalo protok struje.
Dobra analogija za induktor je zamašnjak na motoru. Nakon što ste uspostavili određenu brzinu vrtnje, potrebno je puno rada da se poveća ili smanji njezina brzina. Induktori rade na isti način sa strujom. Oni se opiru promjenama u protoku struje. Induktori se ocjenjuju pomoću jedinice henry (H). Henry se definira kao suprotnost električnoj struji koja prolazi kroz uređaj koja rezultira pojavom jednog volta elektromotorne sile na terminalima.
Induktori u električnim krugovima
U većini primjena ne želimo induktore u krugu od 12 V DC jer su otporni na promjene u protoku struje. Za promjenjivo opterećenje kao što je pojačalo, velika količina induktiviteta u opskrbnom ožičenju rezultirala bi nestabilnim naponom napajanja kako se mijenjaju zahtjevi struje.
Postoje neki slučajevi u kojima se induktori koriste u kombinaciji s kondenzatorom da djeluju kao filtar šuma.
U strujnom krugu izmjenične struje, induktori dopuštaju niskofrekventnim signalima da prođu kroz uređaj s malim ili nikakvim učinkom. Ako spojimo induktor u seriju sa zvučnikom, on djeluje kao visokopropusni filtar. Za razliku od kondenzatora, u istosmjernom krugu induktor se pojavljuje kao kratki spoj s vrlo malim otporom. Za izmjenični signal možemo izračunati reaktivni induktivitet kondenzatora pomoću jednadžbe Xl =1 x 3,1416 x F x L, gdje je F frekvencija, a L induktivitet u henrijima.
Ako želimo koristiti induktor kao visokopropusni filtar, možemo odrediti efektivnu točku skretnice zamjenom Xl za otpor zvučnika. U ovom primjeru koristit ćemo induktor s vrijednošću od 6 mH (milihenri) i zvučnik s nazivnom impedancijom od 4 ohma. Tamo bi točka od -3dB kruga filtera bila F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006), ili 106,1 Hz. Ova vrijednost induktora bila bi dobar niskopropusni filtar za niskotonac. Baš kao kod kondenzatora u seriji sa zvučnikom, induktor djeluje kao filtar prvog reda i smanjuje izlaz brzinom od -12 dB po oktavi kako frekvencija raste od točke križanja.
Ostali slučajevi induktiviteta i kapacitivnosti
Kad god su dva vodiča paralelna jedan s drugim iu neposrednoj blizini, postojat će određena razina kapacitivnosti. Mnogi pretjerano bujni entuzijasti govore o kapacitetu u interkonekcijskim kabelima. Iako je to čimbenik, mikroskopske promjene (ako ih se uopće može primijetiti) mogu se kompenzirati tijekom procesa ugađanja sustava. Kada se radi o kupnji visokokvalitetnih interkonekcija, odbijanje šuma i ukupna trajnost dizajna trebali bi biti vaši glavni ciljevi.
Namotaj glasovne zavojnice u zvučnicima koje koristimo ima određenu količinu induktiviteta. Ova karakteristika smanjuje visokofrekventni izlaz smanjujući protok struje na visokim frekvencijama. Budući da su zvučnici dinamični, njihovi se parametri mijenjaju kako se membrana zvučnika pomiče. Na isti način na koji željezna jezgra u induktoru povećava induktivitet u usporedbi s dizajnom zračne jezgre, induktivitet glasovne zavojnice zvučnika se povećava kada se konusni sklop pomakne unatrag u košaru. T-jaram u središtu zvučnika povećava snagu magnetskog polja koje stvara struja u glasovnoj zavojnici. Isto tako, kako se zvučnik pomiče prema naprijed, induktivitet se smanjuje. Ova izobličenja induktivnosti temeljena na položaju mogu uzrokovati efekt visokofrekventnog zujanja koji može biti štetan za reprodukciju vaše glazbe. Jedno od rješenja je implementacija dizajna zvučne zavojnice s ispod obješene strane gdje je razmak viši od namota zavojnice. Nedostatak ovog dizajna je taj što je glasovna zavojnica često mala i nema dovoljno snage. Druga je mogućnost uključiti bakrenu kapu s polnim dijelom kako bi se smanjilo magnetsko polje i minimaliziralo izobličenje. Bakrena kapa je skupa opcija, ali nudi izvrsne prednosti izvedbe.
Teorija elektrike zvuka u automobilu
Za sada je ovo kraj naše serije članaka o električnoj teoriji zvuka automobila. Nadamo se da ste uživali u učenju o fizici koja stoji iza toga kako vaš automobilski audio sustav radi. Naš cilj je educirati entuzijaste kako bi mogli obaviti educirane kupnje i nadogradnje svog mobilnog zvučnog sustava. Ako imate bilo kakvih pitanja, navratite do lokalnog specijaliziranog prodavača mobilne elektroničke opreme. Oni vam mogu pomoći da dizajnirate nadogradnju koja će vaše putovanje na posao doista pretvoriti u ugodno iskustvo slušanja.