Gli accumulatori elettrici

Achille De Santis IW0BWZ

Considerata la difficoltà riscontrata da qualcuno nel comprendere ed usare correttamente alcune unità di uso corrente mi permetto di condensare, in queste brevi note, il significato pratico di alcune di esse. Peraltro, ho riscontrato che spesso anche i commercianti fanno gli stessi errori.

CAPACITÀ NOMINALE CN

La capacità è la proprietà caratteristica di una batteria di immagazzinare e di rilasciare una data quantità di carica elettrica.

La capacità dipende fortemente dalla velocità di scarica e dalla temperatura, in particolare, si ottiene una riduzione di capacità a forti regimi di scarica e a basse temperature.

CAPACITÀ Effettiva di scarica Cm

La capacità di scarica Cm indica la carica che si può erogare in m ore prima di raggiungere la tensione di fine scarica (10.50 V per un accumulatore di tensione nominale di 12 volt). Rappresenta la capacità equivalente di scarica, a quel regime specifico (m ore; normalmente m= 5, 20, 100 ore).

Ciò significa che aumentando la corrente di scarica si diminuisce il tempo di scarica e anche la capacità effettiva di scarica dell'accumulatore (quando nominalmente dovrebbe essere costante).

AMPERORA (Ah)

    

            L'amperora è la misura della quantità di carica elettrica calcolata come prodotto (integrale) della corrente per il tempo. Allora, essendo una “carica elettrica”, si potrebbe esprimere anche in coulomb (leggi “culomb”), come stabilisce anche il sistema internazionale di misura MKSA.

         Al tecnico generalmente non interessa la quantità di carica espressa in coulomb  immagazzinata in un accumulatore ma, piuttosto, egli è interessato a conoscere una grandezza “globale” da cui si possa dedurre facilmente il tempo di funzionamento.

Considerando grandezze costanti

            I=Q/t ,             da cui Q=I*t              oppure t= Q/I;            (1)

dove Q, I, t, sono, rispettivamente, la quantità di carica, la corrente, il tempo.

Allora, 1 Ah (leggi: amperora) rappresenta la carica trasportata dalla corrente di un ampere in un’ora, cioè: 1Ah = 1A * 1h  [v. nota 1].

Abbiamo a disposizione un accumulatore da 12V/4A/7Ah; qual è il significato dei valori?

Risposta:

V= 12 volt;   tensione nominale (F.E.M.);

I = 4 A;        corrente massima (Imax);

Cn= 7 Ah;    capacità nominale di carica dell'accumulatore (Q).

Esempio 1.

Abbiamo a disposizione l'accumulatore da 12V/4A/7Ah visto prima, che deve alimentare un carico costante da 12V/1A; che autonomia avrà quella batteria? E' adatta?

La corrente richiesta è minore di quella massima > OK!

Dalla formula (1), con Q=C,  risulta:                          

t= C/I = 7Ah/1A= 7 ore.      L'accumulatore è adatto e l'autonomia sarà di 7 ore.

Esempio 2

Vogliamo usare la stessa batteria per pilotare un TRX da 2,5 Watt in trasmissione, con corrente di 200mA in ricezione,  per una giornata campale di 8 ore. La stessa batteria è adatta all'uso per il nostro field-day?

Corrente di trasmissione    Itx = Ptx/V = 2,5 watt/ 12 V =  0,208 A
Corrente di ricezione         Irx = 200mA

Possiamo ritenere uguali le correnti di TX ed RX;

Allora:

La corrente richiesta è (molto) minore di quella massima 200 mA<< 4A!

Il tempo di scarica sarà allora calcolabile con la capacità nominale Cn  (Scarica lenta).
                                        t= Cn/I = 7Ah / 0.208 A= 33,65 ore

La carica supera abbondantemente la scarica; infatti, per 8 ore di funzionamento si avrà un consumo 

Q= 0.208 A * 8 ore = 1,664 Ah, pari a circa un quarto della massima carica dell'accumulatore.

RESISTENZA INTERNA

Oltre alla f.e.m., un parametro molto importante è la resistenza interna Ri della batteria. Il valore della resistenza interna dipende dal tipo di accumulatore e dalle dimensioni dell’elemento. Allo stato carico la resistenza interna, misurata in Ohm, è circa 0,015/(C5) fino a 0,025/(C5), a seconda del tipo di batteria .
Vi domanderete cosa sia il parametro C5.
C5 è una capacita' riferita ad un tempo di scarica di 5 ore.
Vedi esempi della nota 2 al fondo.
Durante la scarica la resistenza aumenta, dapprima lentamente, poi più rapidamente, raggiungendo, a fine scarica, circa il doppio del valore iniziale. Alle basse temperature la resistenza è maggiore. Se aumenta la temperatura della soluzione, la f.e.m. aumenta leggermente, mentre la resistenza interna diminuisce.

COLLEGAMENTO DI ACCUMULATORI IN SERIE / PARALLELO

Consideriamo n elementi tutti uguali, con uguali f.e.m. pari ad E, resistenze interne Ri, e regimi di scarica.

·    Collegamento in serie

Il sistema equivale ad un unico generatore che sviluppa la f.e.m. Etot= n*E ed ha resistenza interna n*Ri

                                                             Rs = n*Ri

La capacità della serie è uguale a quella di un solo elemento, perché gli elementi sono percorsi tutti dalla stessa corrente: la scarica avviene per tutti contemporaneamente, come se ciascuno erogasse da solo la sua corrente. Per questo motivo gli elementi in serie devono avere tutti la stessa capacità.

Nel collegamento in serie La resistenza interna aumenta all'aumentare del numero di elementi.

·    Collegamento in parallelo

            Il sistema equivale ad un unico generatore che sviluppa la f.e.m. E, pari a quella di un elemento, ed ha resistenza interna

                                                                       Rp = Ri/n.

La capacità del parallelo è n volte quella di un singolo elemento, perché ogni elemento eroga contemporaneamente agli altri la sua corrente, e tutte le correnti si sommano nella resistenza di carico durante il tempo di scarica di ciascun elemento.

Nel collegamento in parallelo La resistenza interna diminuisce all'aumentare del numero di elementi.

·    Collegamento misto serie-parallelo

Con questo tipo di configurazione si riesce a compensare i vari parametri, ottenendo le tensioni desiderate, le giuste correnti di scarica ed una bassa resistenza interna, che determina una bassa caduta di tensione a carico.

Conclusione

Leggendo i "dati di targa" dell'accumulatore si può avere una indicazione precisa delle sue caratteristiche di durata di scarica; se volete essere sicuri di non rimanere senza energia, durante il ciclo di servizio, usate sempre l'accumulatore secondo i criteri esposti; ne otterrete tre vantaggi:

1. Erogazione della carica massima,
2. assenza di fuori-servizio,
3. lunga vita per l'accumulatore.

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note
1)  1Ah = I * t= 1A * 3600s = 3600 coulomb

il coulomb è l’unità di carica elettrica del sistema internazionale di misura.

L'amperora è l'unità di misura tecnica per la carica elettrica.

In pratica:       1Ah = 3600 coulomb;           oppure             1 coulomb = 0,0002778 Ah

Ecco uno dei motivi per usare l'amperora e non il coulomb, poiché quest'ultima sarebbe una unità troppo piccola.

Il secondo motivo è di ordine pratico: si ricavano presto i valori di corrente, in Ampère, e di tempo, in ore.

2) Nel caso di una batteria con C20 = 100Ah, la corrente che si può erogare per 20 ore prima di scendere a 10.50 V è di 5 Ampere (5A x 20h = 100 Ah).

Può capitare che la capacità non venga espressa come C20 ma come C5 cioè su cinque ore; in questo caso occorre tenere presente che i due valori non sono direttamente confrontabili; infatti la stessa batteria può avere un valore di C20 pari a 90 Ah ed un valore di C5 di 70 Ah. Ciò significa che aumentando la corrente di scarica si diminuisce la capacità effettiva dell'accumulatore.