Fotografie

Electrische eenheden


Fotografie » TechTalk » Batterijen » Electrische eenheden

Bij batterijen worden er talrijke eenheden genoemd: volts, ampères en milliampères,... Maar wat(t) willen deze eenheden allemaal zeggen?

1.5V

Spanning: Volt

De spanning die door een element geleverd wordt hangt af van de gebruikte technologie. Ziehier een klein overzicht (spanning per cel):
Technologie   Spanning
Gewone batterijen1.5V
Oplaadbare batterijen (NiMH)1.2V
Loodaccus (startbatterijen)2.0V
Lithium accu3.7V
Knoopcellen lithium3V

De spanning van klassieke batterijen ligt hoger dan die van oplaadbare batterijen, maar de spanning zakt bij gebruik en als de cellen opgebruikt geraken, wat niet het geval is met NiMH-oplaadbare batterijen (Nickel-metaalhydride).

De spanning van MiMH batterijen blijft relatief constant gedurende de volledige ontlading, terwijl de spanning van een loodbatterij afhangt van de laadtoestand.

Om een hogere spanning te bekomen kan men meerdere elementen of cellen achter elkaar plaatsen (in serie). Om 6V te bekomen heeft men 4 gewone batterijen of drie loodelementen nodig.

Toestellen worden gemaakt voor een nominale spanning, maar moeten ook kunnen werken op een wat hogere spanning (nieuwe batterijen) en blijven werken tot de batterijen leeg zijn. Voor een radio die op 6V werkt betekent dit een werkingsgebied van 4.5 tot 7.5V.

Een hogere spanning is geen teken van betere kwaliteit, het is gewoon een eigenchap van de batterij. Het is wel zo dat met een hogere spanning er meer energie geleverd kan worden (bij gelijke stroomsterkte): daarom dat de electriciteitsverdeling onder zeer hoge spanning gebeurt.

Volt, watt, ampère,...

De vergelijking met water is ideaal om de verschillende eenheden uit te leggen.

Spanning: waterniveau

De electrische spanning is vergelijkbaar het het waterniveau: 1000 liter water in een watertoren hebben meer "potentieele energie" (lees verder bij energie), dan dezelfde 1000 liter water op grondniveau. De spanning wordt daarom soms potentieel genoemd.

De spanning wordt altijd tussen twee punten gemeten, bijvoorbeeld de twee polen van een batterij, boven en onderaan de waterkrachtcentrale, enz.

6A

Stroom: Ampère

De stroom wordt niet vermeld op accus omdat de geleverde stroom afhangt van de vraag. Een klein lanpje zal minder stroom trekken dan een zwaardere lamp.

Om de maximale stroom aan te geven die startbatterijen kunnen leveren gebruikt men de waarde CCA (cold cranking ampères): het aantal ampère dat een koude batterij (-18°C) kan leveren om de motor te doen starten.

Voor accus gebruikt men soms de waarde C die overeenkomt met de capaciteit van een accus. Een stroom van 0.1C komt overeen met de stroom die 1/10 bedraagt van de capaciteit. Deze waarde is belangrijk voor bepaalde accutypes die niet te snel geladen mogen worden.

Twee zekeringen die in electronische toestellen gebruikt worden.

Indien men een hogere stroom vraagt dan wat de accu kan leveren, dan zakt de spanning in elkaar, wat meestal als gevolg heeft dat de vraag ook minder wordt. Zekeringen dienen om de installatie te beveiligen als de stroombron zeer hoge stromen kan leveren (electriciteitsnet of zware accus).

Stroom: waterdebiet

De stroom komt overeen met het waterdebiet. Om een hoog waterdebiet mogelijk te maken moet de bedding groot genoeg zijn. Dit is ook het geval bij electrische installaties waar men dikkere kabels moet gebruiken als er hoge stromen door de leidingen lopen.

Als men veel water aftapt, dan zakt het waterpeil: dit is ook het geval met batterijen.

2700mAh

Capaciteit: mAh

De capaciteit is één van de belangrijkste eenheden voor batterijen. De capaciteit wordt normaal gegeven voor een ontlaadstroom van 0.1C (de stroom die nodig is om de batterij in 10 uur te ontladen). Deze ontlaadstroom komt niet overeen met de ontlaadstroom van de batterij in de praktijk, die enorm kan verschillen naargelang de toepassing. De beschikbare capaciteit is lager bij hogere stromen.

De capaciteit vermindert bij gebruik, en deze terugval is sterker als de accu zwaar belast wordt (sterke ontlading, snelle lading,...). De capaciteitsvermindering wordt veroorzaakt door electrolietverlies of door minuscule beschadiging van de electroden.

Batterijen verliezen hun lading. Het verlies hangt af van de gebruikte technologie en de temperatuur. NiMH LSD (low self discharge) zijn ontworpen om een zeer laag verlies te vertonen.

Capaciteit: afmeting reservoir

Deze waarde komt overeen met de grootte van de waterreservoir.

De waterlekken komen overeen met het ladingsverlies.

60W
2kWh

Vermogen (Watt) en energie (Wh)

Het vermogen is het produkt van de spanning met de stroom. Alle gloeilampen van 50W geven even veel licht, maar er zijn lampen die op 12V werken (ze trekken dan 4.2A) en lampen die op 230V werken (ze trekken 0.22A).

Aangezien men de stroom kan beperken door met een hogere spanning te werken, zal men een zo hoog mogelijke spanning gebruiken naargelang de toepassing: een auto heeft een 12V batterij, maar een vrachtwagen een 24V batterij. Dankzij de hogere spanning moeten de stroomdraden naar de starter niet dikker gemaakt worden.

Nieuwe nickel-zink batterijen hebben een capciteit die in mWh (milli watt-uur) aangegeven wordt. Deze aanduiding is technisch in orde, maar schept verwarring met de normale capaciteitsaanduiding in mAh en wordt gebruikt om te verdoezelen dat deze accus een lagere capaciteit hebben dan NiMH accus.

Het vermogen is een ogenblikkelijke, tijdloze waarde. “Een lamp verbruikt 50W”. De energie is het verbruik over een bepaalde tijd.

  • Een lamp heeft een bepaald vermogen, terwijl
  • een accu energie opslaat: de mogelijkheid om een bepaald vermogen gedurende een bepaalde tijd te leveren.

De energiedensiteit maakt het mogelijk verschillende technologieën te vergelijken. Men gebruikt zowel de energiedensiteit per volume-eenheid (wh/l) als de energiedensiteit per gewicht (wh/kg).

Vermogen

Het vermogen (bijvoorbeeld van een waterkrachtcentrale) hangt af van het debiet maal het verschil in waterniveau. Het vermogen is een tijdloze waarde.

Energie

Bij een waterkrachtcentrale is de energie de hoeveelheid water die in een bepaalde tijdseenheif gebruikt wordt maal het waterniveau. Een hoeveelheid water kan snel opgebruikt worden (groot debiet = hoog vermogen) of traag opgebruikt worden.

1.5Ω

Weerstand (ohm, geschreven Ω)

De weerstand van een batterij of accu is een onzichtbare eenheid die nooit op de verpakking vermeld wordt. Dit is ook niet praktisch realiseerbaar, want de inwendige weerstand van een batterij hangt af van zijn ladingstoestand en van de temperatuur.

Als een batterij warm wordt bij het laden (maar ook als er stroom afgetapt wordt), komt dit door de inwendige weerstand. Als er een stroom door een weerstand loopt, dan wordt de weerstand warm. De inwendige weerstand is dus een verliespost, maar zorgt er ook voor dat het toestel minder lang kan werken omdat de spanning te laag wordt.

Saline batterijen hebben een relatief hoge inwendige weerstand door het mangaandioxyde dat een slechte geleider is. Ook alkaline batterijen gebruiken mangaandioxyde, maar beperken de verliezen door een andere constructie. Oplaadbare batterijen hebben een lage inwendige weerstand. Deze weerstand stijgt echter als de batterij ouder wordt.

Het is de inwendige weerstand die de oorzaak is dat het rendement van een batterij lager wordt als de belasting hoger wordt: er gaat immers meer energie verloren in de inwendige weerstand.

De inwendige weerstand van een verse alkaline batterij bedraagt 100mΩ, dit wilt zeggen dat als de batterij een stroom van 1A moet leveren, de batterijspanning direct naar 1.4V zakt. De inwendige weerstand blijft verder stijgen als de batterij leeg geraakt.

Weerstand

De inwendige weerstand van een batterij kan men vergelijken met een vernauwing van de rivier, waardoor het water moeilijker kan stromen. Er ontstaat een niveauverschil voor en na de vernauwing. De vernauwing beperkt eveneens de hoeveelheid die onderaan beschikbaar is (debiet).

1C = 0.278mAh

Lading (Coulomb)

De eenheid van lading is eigenlijk de eenheid van capaciteit, maar anders uitgedrukt: 1Ah = 3600C. 1C komt overeen met een stroom van 6.24×1018 electronen. Het is een eenheid die vooral in de electrostatica gebruikt wordt (electriseermachines, Leidse flessen,...)

In de electronica wordt deze eenheid enkel gebruikt om de coulombische efficiëntie (of — rendement) van accus aan te geven. Loodaccus en nickel-ijzer accus hebben een slecht rendement: men moet meer electronen door de accu jagen dan de hoeveelheid die theoretisch nodig is om de accu te laden, bepaalde electronen produceren parasitaire reakties en dragen niet toe tot het laden van de accu. Alkaline batterijen (die niet gemaakt zijn om opnieuw geladen te worden) hebben eveneens een slechte coulombische efficiëntie. Lithium-ion accus hebben een rendement van 99%. Condensatoren hebben een rendement van 100% want er gebeuren geen scheikundige reakties.

Men moet ook rekening houden met het vermogensrendement dat altijd lager is dan het coulombisch rendement. Nemen we een accu met een coulombisch rendement van 100%. Bij het laden stijgt de spanning tot 3V. We hebben dus 3W nodig om de accu met 1 ampère te laden. Bij het ontladen zakt de spanning naar 2V. De accu levert dus maar een vermogen van 2W (of een rendement van 66%).

Lading

De capaciteit (uitgedrukt in Ah) en de lading (uitgedrukt in Coulomb) zijn twee gelijkaardige eenheden. Ze stellen de capaciteit van een waterreservoir voor.

In een accu stelt de capaciteit het anatal electronen die van één pool naar de andere gaan. In het electroliet is er een ionenstroom (electrisch geladen atomen of moleculen) die van de ene electrode naar de andere gaat.

De parameters van een batterij kan je toepassen op een konijn.

Zoals alle vergelijkingen loopt deze vergelijking een beetje mank (zoals een konijn op drie poten), het is enkel een voorbeeld.

De spanning is de goesting om over een put te springen om een wortel te krijgen.
Zonder spanning gebeurt er niets, maar met de goesting alléén gebeurt er ook niets, het konijn moet een inspanning leveren om over de put te springen.
In de batterij geeft de spanning aan hoeveel kracht de electronen hebben als ze de batterij verlaten.

De capaciteit komt overeen met de spiermassa van het konijn.
Zelfs al heeft een mager konijn heel veel honger, als die geen spieren heeft om over de put te springen zal het niet lukken.
In de batterij geeft de capaciteit aan hoeveel electronen er in totaal geleverd kunnen worden.
De spanning en capaciteit zijn statische eenheden, ze zijn allebei nodig om het konijn te doen springen.

De stroomsterkte geeft aan hoeveel kracht het konijn nodig heeft om over de put te springen.
De stroomsterkte komt overeen met de grootte van de put. Als het konijn verzwakt is, dan valt hij in de put als hij springt.
De stroomsterkte geeft de hoeveelheid electronen die per tijdseenheid geleverd kunnen worden. Het is een kwestie van vraag en aanbod. Als er een grote vraag is (grote put), maar de batterij kan die niet voldoen (verzwakt konijn) dan zakt de spanning in elkaar (het konijn valt in de diepe put en zijn goesting is voorgoed voorbij).

We hebben nog de inwendige weerstand waarvoor we een analogie moeten vinden.
De inwendige weerstand stijgt als de batterij leeg geraakt. In konijnentermen wilt dit zeggen dat eerst de sterke konijnen over de put springen, en dan blijven er enkel oude en versleten konijnen over.
Als de batterij leeg geraakt hebben de electronen meer en meer moeite om uit de batterij te geraken.

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren