Вопросы электропитания power_matters Full view

Вопросы электропитания

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

 

Пэт Браун считает: хотя звуковые люди и не должны быть электриками, но должны знать, как работает распределение электроэнергии.

Для людей в про-аудио слово «мощность» обычно вызывает образ рэка с усилителями, используемых для усиления громкоговорителей в звуковой системе. Но усилитель и другие компоненты системы должны иметь стабильный источник питания для работы.

PBBackOfRackТаким образом, вопрос распределения мощности, которая приходит от электростанции до вашей звуковой системы, жизненно важен. Некоторые из принципов распределения звукового сигнала в звуковых системах заимствованы непосредственно у коммунальных предприятий, и многое можно узнать, взглянув на то, как они это делают.

Для большинства полезных вещей в современном мире требуется источник энергии для работы. Несколько из них широко эксплуатируются, включая нефть и ее производные, природный газ и даже атомную энергию. Все эти источники энергии могут быть использованы для создания другой формы энергии, которая естественным образом существует в окружающей среде — электричество.

Наш мир объединяет энергия, которую он использует. Атомный век начался, когда ученые обнаружили, что материя является огромным источником энергии. Это масса «m» в уравнении E = mc2. Даже небольшое количество вещества, умноженное на скорость света в квадрате, равно большому «E», что означает энергию. Мы не создаем энергию; мы преобразуем и модифицируем её для нашего собственного использования.

У источника энергии есть потенциал для того, чтобы делать то, что ученые называют работой. Наши друзья в dictionary.com определяют работу как «Передачу энергии от одной физической системы к другой, особенно передачу энергии телу путем применения силы, которая перемещает тело в направлении силы. Она рассчитывается как произведение силы и расстояния, через которое тело движется и выражается в джоулях, эргах и фунтах».

Когда мы понимаем природу работы, мощность понять легко. Мощность — это скорость выполнения работы, или передачи энергии. Когда электричество впервые начало использоваться, общим источником энергии была лошадь. Типичная лошадь может выполнять определенное количество работы в течение определенного промежутка времени.

Джеймс Ватт определил, что одна «лошадиная сила» должна составлять 33 000 фунто-футов в минуту. Лошади могут быть соединены вместе, чтобы умножить свою силу, поэтому команда лошадей перетащит одного животного.

Хотя лошади больше не являются общим источником энергии в развитых странах, но «лошадиная сила» ещё живет как способ оценки других источников. Любая электрическая мощность, указанная, например, в Ваттах, также может быть указана в лошадиных силах.

Важная концепция: мощность — это скорость, и при правильном её описании должна сопровождаться такими словами, как «средняя» или «непрерывная», чтобы иметь смысл.

Большинство современных источников энергии могут применяться в мультипликаторном режиме, для создания более крупных источников, таких как двигатели на самолете или усилители в рэке. Данная концепция используется почти везде, где генерируется или потребляется энергия — небольшие источники могут использоваться в кратном количестве для создания более крупных источников.

Не изобретение

Электричество является источником энергии, представляющим интерес для производства и поддержания современного образа жизни. Это то, что делает жизнь такой, какой мы её знаем сегодня.

Хотя люди существовали задолго до того, как сумели запрячь электричество, жизнь стала намного легче, когда у людей появился в распоряжении доступный источник электроэнергии. Её использование стало настолько широко распространено, что мы считаем это само собой разумеющимся.

Мало кто сомневается в исправности электрической розетки, найденной где-нибудь в современном здании. Мы просто «подключаемся» и ожидаем, что она работает — и обычно так и происходит.

Замечательно, что этот источник может быть настолько надежным, но плохая часть заключается в том, что высокая надежность заставляет нас считать это само собой разумеющимся и не позволяет нам понять, как это работает.

Вопреки распространенному мнению, электричество не является изобретением. Оно существовало ещё до того, когда во Вселенной возникла материя. Мы знаем, что все вещи состоят из атомов, а электричество — это поток атомных частиц (электронов) из одного места в другое.

Скорость потока электронов называется током. Давление, при котором он протекает, называется напряжением. Оба эти количества (и большинство единиц в целом) были названы в честь пионеров-электриков. Все источники электроэнергии могут быть охарактеризованы наличием их напряжения и тока.

Фактически, простейшая формула для электрической мощности:

P = I x U

Где P — мощность в Ваттах (Watt),

I — ток в Амперах,

U — напряжение в Вольтах.

Альтернативный и прямой

Если ток течет только в одном направлении вдоль провода, он называется постоянным током или DC. Если ток течет, например, вперед и назад по проводу, он называется переменным током или AC.

Можно преобразовать AC в DC и DC в AC, и это на самом деле необходимо для работы компонентов звуковой системы.

Коммунальная компания генерирует AC (переменный ток), используя какую-либо другую форму энергии в окружающей среде, такую как проточная вода, вращающая турбину (гидравлическая мощность), ветер, вращающий винт (пневматическая мощность), сжигание угля или даже ядерные реакции. Открытие и использование новых источников энергии имеет первостепенное значение для современных людей. От этого зависит наше дальнейшее существование.

Процесс производства электроэнергии был изобретен и усовершенствован с большим количеством влияний, включая физические ограничения электрических компонентов и проволоки, а также политических и экономических сил, существовавших в то время.

Поскольку очень непрактично менять систему, когда она уже существует, было рассмотрено много возможных подходов. Я сомневаюсь, что Эдисон или Вестингхаус (или, может быть, даже Никола Тесла, гениальный изобретатель АС и многих других технологий) могли себе представить далеко идущие последствия их выбора в отношении распределения электроэнергии.

PBTomAndNick

Томас Эдисон и Никола Тесла, пионеры распределения энергии.

После множества экспериментов, дебатов и лоббирования было решено, что метод распределения электроэнергии в США будет AC, в первую очередь из-за его неотъемлемых преимуществ в отношении генерации и транспортировки на большие расстояния. (Истинным поворотным пунктом дебатов стало первое успешное использование распределения переменного тока на Всемирной выставке 1893 года в Чикаго).

AC имеет по меньшей мере три преимущества по сравнению с DC в распределительной сети:

1) Большие электрические генераторы генерируют переменный ток естественным образом. Преобразование в DC включает дополнительный шаг.

2) Трансформаторы должны иметь переменный ток для работы, и мы увидим, что сеть распределения электроэнергии зависит от трансформаторов.

3) AC в DC преобразовать легко, но DC в AC — дорого.

Синусоидальная волна является естественной формой волны от вращающихся объектов, поэтому она является логической формой для переменного тока. Частота формы волны описывает, как часто она меняет направление. Оптимальная частота для распределения мощности была для США определена равной 60 Гц.

Любые устройства, требующие постоянного тока, могут преобразовать переменное напряжение с частотой 60 Гц, предоставляемый коммунальной компанией, и это именно то, что делают звуковые компоненты системы, даже сегодня.

Источник рядом с тобой

Основные источники электроэнергии, которые созданы для подачи электроэнергии потребителям, действительно мощные, во всех отношениях.

Например, плотина Hoover производит мощность, составляющую около 3 миллионов лошадиных сил (представьте, их прокормить!), в электрических параметрах — около 2000 мегаватт.

Эта электроэнергия переменного тока должна передаваться от плотины к потребителю. Проблема в том, что большинство людей живёт на значительном расстоянии от действительно больших источников энергии. Для передачи электричества от точки «А» в точку «В» необходимо использовать систему, передающую энергию с минимальными потерями.

И желательно передавать энергию с высоким напряжением, так как это минимизирует потери в используемом проводнике на больших расстояниях. Но потом напряжение и ток нужно «продать» системе распределения электроэнергии. Это — работа трансформатора.

Помните, что P = I x U, поэтому мы можем сделать эквивалентный источник питания с большим количеством U и немного I, или много I и немного U. Трансформаторы — это устройства, используемые для компромиссов.

Когда мощность остаётся одинаковой (по крайней мере — теоретически), повышающий трансформатор производит большее напряжение при меньшем токе, а понижающий трансформатор делает обратное. Оба типа устройств находятся в сетке распределения питания (то есть, и в цепи сигналов звуковой системы!).

Типичные напряжения для передачи на электроэнергии на большие расстояния находятся в диапазоне от 155 000 вольт до 765 000 вольт, чтобы уменьшить потери в линии. На местной подстанции это преобразуется в 7 000 вольт или 14 000 вольт для распределения по городу.

Как правило, это три ноги или «фазы». Трехфазное напряжение является основой электросети. Большое здание может обслуживаться всеми тремя фазами, а дом обычно обслуживается только одной фазой. Перед вводом в здание это напряжение преобразуется (от 220 вольт до 240 вольт) с помощью понижающего трансформатора (есть допуски — ваши значения могут быть другими).

Для нашего обсуждения здесь мы будем использовать номинальные значения 220 вольт/110 вольт. Место, где мощность приходит в здание, называется служебным вводом. Это имеет первостепенное значение, поскольку, по сути, это «источник энергии», представляющий интерес для электрических компонентов в здании. Любое обсуждение распределения электроэнергии внутри здания сосредоточено на служебном вводе и том, как электричество из него становится доступным всей структуре здания.

Теперь очевидна пищевая цепочка. Электричество, получаемое из окружающей среды, затем преобразуется в стандартную форму, распределяется по различным местам и ещё раз преобразуется в форму, ожидаемую электрическими устройствами и продуктами.

Большая часть электролинии от силовой подстанции проходит над землей на линиях электропередач, что делает её вероятной мишенью для ударов молнии, падающих опор, сильных ветров и льда. Многие локальные сети предпочитают зарывать все, или часть проводов, чтобы снизить риск обрывов.

На розетке

В большинстве стран мира к электрическим розеткам доставляется 220 В (или около того) для питания приборов.

PBOutletJuneВ США понижающий трансформатор разделён для обеспечения двух 110-вольтовых ножек. Это называется «разделенной фазой», и для подключения требуется третий провод от центра трансформатора к дому (нейтральный), и провод от каждой розетки обратно к служебному вводу в здание.

С другой стороны, 220-вольтовые цепи и приборы не требуют нейтральной жилы, хотя часто включаются в цепь, если какой-либо подкомпонент устройства использует 110 вольт.

В США большинство бытовых приборов рассчитаны на источники питания напряжением 110 вольт. Использование более низкого напряжения имеет некоторые плюсы и минусы. Преимущество заключается в том, что более низкое напряжение создает более низкий риск поражения электрическим током, при этом обеспечивая достаточную мощность на выходе для большинства приборов. Нижняя сторона заключается в том, что чем ниже напряжение распределения, тем больше диаметр провода, который должен использоваться для минимизации потерь в проводах.

Таким образом, для 110-вольтовой цепи требуется больше меди (меньшее сопротивление) для обслуживания розеток при поддержании таких же потерь на линии, что и для 220-вольтовой системы. Большинство домохозяйств имеют лишь несколько приборов, которые в полной мере предназначены для использования 220 вольт, поставляемых коммунальной компанией. Эти приборы имеют высокие требования к току, и более высокое напряжение распределения позволяет им обслуживаться с помощью меньшего диаметра провода.

Необычно (но не неслыханно), когда для приборов в звукоусилении в США требуется 220-вольтовая розетка.

Многие имеющие мотор приборы используют AC в том виде, в каком они поставляются коммунальной компанией. Но другие продукты (включая компоненты звукоусиления) внутренне преобразуют поставляемый 110 вольт переменного тока в постоянный ток.

Это первый шаг внутри продукта после того, когда питание подается к нему из электрической розетки. Источник питания обеспечивает «рельсы» постоянного тока, необходимые для питания внутренних цепей. Эти напряжения в рельсах могут варьироваться от нескольких вольт до сотен вольт в зависимости от цели продукта. Некоторые источники питания являются внешними по отношению к продукту.

 PBWallWarts«Настенные бородавки» являются обычным явлением в недорогих звуковых системах. Они предлагают преимущество массового производства и более эффективной сертификации, а также защищают оборудование от AC (и его потенциально слышимых побочных эффектов). Но внешние блоки питания могут быть неудобными, поэтому мнение потребителей разделилось в плане их принятия.

Устройства с батарейным питанием обходят все системы и размещают источник постоянного тока, созданный химическими реакциями, где это необходимо, то есть — внутри устройства. Их недостаток заключается в том, что нет возможности пополнять этот источник, кроме как его замены, или подключения к внешнему источнику питания.

Почему это важно

Звуковые люди не должны быть электриками, но мы должны знать, как работает распределение электроэнергии. Схема распределения мощности переменного тока, которая полностью укоренилась в инфраструктуре США, может иметь обывы, шумной и даже смертельной.

Обычная практика подключения различных частей звуковой системы к различным электрическим розеткам может иметь очень негативные звуковые побочные эффекты, такие как «гул» и «шум» в громкоговорителях.

Гораздо серьезнее то, что неправильно заземленная система может оказаться смертельной. Возможно, вы слышали рассказы о ничего не подозревающих музыкантах, которые получали удар током, касаясь губами микрофона или гитарных струн. Это не городская легенда — это может произойти без надлежащей практики в работе электричества.

coda_f

Оригинал материала.


  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •