Tutorial Differenze tra Batteria e Condensatore

Qual’è la differenza tra una Batteria ed un Condensatore ? In questo Tutorial cerco di spiegarti cosa sono le Batterie, cosa sono i Condensatori e perchè sono differenti.

Contenuti e Riassunto Articolo

Energia e Potenza in una Batteria
Corrente di spunto di una Batteria
Cicli Vita di una batteria
Energia e Potenza in un Condensatore
Corrente di spunto di un Condensatore
Cicli vita di un Condensatore
Condensatore Equivalente a una Batteria
SuperCondensatore fai da te
Batteria fai da te
Quanto è costato scrivere questo articolo ?
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Energia e Potenza in una Batteria

Una batteria, in termini generici, è un sistema Elettrochimico in grado di immagazzinare energia per mezzo di molecole capaci di “trasportare” una carica elettrica (Ioni) tra due armature elettricamente conduttive.

Nell’immagine che segue vedi come avviene il processo chimico che scambia Elettroni per mezzo di Ioni (molecole aventi carica elettrica) nelle batterie al Piombo riempite con una soluzione di Acido Solforico:

L’energia è il totale (l’integrale in termini matematici) della potenza impiegata per un certo tempo. Nelle Batterie la Capacità viene misurata in Ah (Ampére per Hour, in inglese), Ampére per Ora.

Se moltiplichi gli Ah di una batteria per i Volt nominali, quelli di targa, ottieni i Watt per Ora, cioè i Wh. Questa è la massima energia ottenibile da una Batteria.

La batteria essendo un sistema finito, come un serbatoio di energia, ha bisogno di essere ricaricata.

La Batteria ha un vantaggio: mantiene la Tensione ai morsetti quasi costante per una buona parte del tempo che estrai energia da essa. Ciò significa che puoi estrarre energia in modo quasi costante fino alla sua scarica.

Curva di Scarica di una Batteria al Piombo Acido (Lead-Acid) e Nichel-Cadmio (NiCad)

Quando la batteria scende sotto un determinato valore di Tensione si dice Scarica. Se oltrepassi la tensione di Scarica puoi danneggiare la Batteria, perchè hai usato tutta l’energia chimica immagazzinata al suo interno.

Corrente di spunto di una Batteria

La corrente di spunto di una Batteria è un fattore importante nell’avviamento della macchina o nei carrelli elevatori.

Quando il motore della macchina deve essere “acceso” si utilizza il motorino di avviamento, che muove la trasmissione del motore e ne innesca l’accensione. Per avviare il motorino di avviamento si utilizza la Batteria della macchina.

Questo processo utilizza una corrente molto elevata, diciamo dai 400 A per motori di piccola cilindrata in su, per un breve tempo di qualche secondo.

La massima corrente di spunto è limitata dalla Resistenza Interna della Batteria e dalla “qualità” dei collegamenti elettrici tra Batteria e Motorino di Avviamento.

La Resistenza interna della Batteria è responsabile del riscaldamento interno della Batteria. Quando la resistenza aumenta la batteria si “surriscalda” fino a scoppiare, se non si ferma in tempo il processo di ricarica o non si ripara una cella difettosa.

E’ la corrente di spunto che “esaurisce” la Batteria dell’auto, e non il consumo elettrico, che in un auto viene erogato dall’alternatore quando la auto è “accesa”. Le continue accesnioni dell’auto sono quelle che danneggiano la batteria.

Chip per la gestione della ricarica di una batteria e analisi della resistenza interna

Cicli Vita di una batteria

Una batteria ha una vita utile limitata al massimo numero di cicli carica-Scarica effettuabili.

Il numero di cicli vita di una batteria sono dipendenti dalla tecnologia della batteria, dal tipo di utilizzo che se fa (scariche profonde vs scariche leggere) e dalla qualità della batteria (qualità dei materiali utilizzati e tecnologia costruttiva).

I cicli vita per una batteria al Piombo (Pb) possono variare dai 200 agli 800. Se utilizzi la batteria scaricandola e caricandola in modo profondo (DOD al 80%) il numero di cicli vita sono minori che se la utilizzi con scariche “leggere”. In questo caso, e ammettendo di aver acquistato una batteria molto performante con 800 cicli vita, devi aspettarti di sostituire la batteria nel giro di 2-3 anni.

Energia e Potenza in un Condensatore

Il condensatore è costruito con 2 armature di materiale elettricamente conduttivo tra loro affacciate, ed isolate elettricamente da un materiale isolante (Dielettrico). Vedi immagine sotto:

Condensatore Elettrico a facce piane – formula della capacità

La capacità del condensatore e la tensione a cui è caricato, determinano la Energia che può cedere. Seguiamo insieme il ragionamento che ci porterà a stabilire la formula del condensatore, per calcolare la sua energia e potenza.

Partiamo dicendo che un condensatore viene “riempito” di cariche elettriche che hanno il simbolo Q (Coulomb).

Per sapere quante cariche elettriche sono immagazzinate in un condensatore usiamo la formula: Q = C * V

dove C è la capacità in Farad del condensatore, e V è la tensione che misuri tra le due armature del condensatore (tra i due morsetti o collegamenti elettrici).

1 Coulomb equivale a 6,242 * 10^18 Elettroni (6’242’000’000’000’000’000 Elettroni).

La Intensità di Corrente I è data dalla formula: I = dQ / dt

dove: dQ è la variazione di quantità di cariche elettriche avvenuta nel tempo dt.

Per esempio se 1 Coulomb viene scaricato dalle aramture di un condensatore in un lasso di tempo di 1 secondo, la corrente fornita dal condensatore è stata di 1 A = 1 C / 1 s (Ampère).

La Energia che immagazzina il Condensatore la puoi calcolare con la formula: E = 0,5 * C * V * V.

Se per esempio un condensatore con capacità di 1 Farad ha una tensione ai morsetti di 1 Volt, l’energia massima scaricabile è: 0,5 * 1 * 1 * 1 = 0,5 Wh (1 Wh equivale ad 1 Joule).

Questo risultato ci dice che possiamo “estrarre” una potenza P di 0,5 Watt per 1 ora, perchè la Potenza Watt = Energia / Tempo (W = J / s).

Corrente di spunto di un Condensatore

La corrente di spunto di un Condensatore è un fattore importante nell’avviamento della macchina o nei carrelli elevatori.

Un altra applicazione dove si utilizza un condensatore per migliorare la qualità e potenza dei bassi e negli impianti audio delle auto.

Questa corrente massima erogabile è limitata dalla resistenza interna del condensatore chiamata ESR. Più è bassa e meglio è.

Cicli vita di un Condensatore

In teoria un Condensatore ha un ciclo di vita limitato dalla durata del suo elettrolita interno.

La durata dell’elettrolità dipende dalla sua qualità e dalle temperature a cui lavora il condensatore.

Ci sono produttori di SuperCondensatori utilizzabili all’interno delle auto che dichiarano una durata di 1 Milione di cicli (almeno 10 anni di durata) senza necessità di manutenzione.

Condensatore Equivalente a una Batteria

Abbiamo visto che la Energia totale estraibile si misura in Wh (Watt per Ora).

Calcoliamo l’equivalente di una batteria da 12V 1Ah con un Condensatore.

L’energia della Batteria è 12 * 1 = 12 Wh

Se abbiamo un condensatore carico ad una tensione di 12 Volt, per estrarre la stessa potenza dobbiamo utilizzare una capacità C di:

E * 2 / ( V * V ) = 12 Wh * 2 / ( 12 V * 12 V ) = 24 / 144 = 0,167 Farad (equivalenti a 167’000 uF).

Questa è la teoria, ma in pratica un condensatore difficilmente potrà essere scaricato in tutta la sua tensione, per cui per essere realistici e pratici ammettiamo che la variazione di tensione ai capi delle armature del condensatore sia compresa tra 13V – 11V = 2 Volt. Rifacento il calcolo si ottiene:

12 Wh * 2 / ( 2 V * 2 V ) = 24 / 4 = 6 Farad.

Utilizzando una batteria di Super Condensatori, collegati elettricamente in serie, si ottiene facilmente questo grado di capacità.

SuperCondensatore fai da te

Appena possibile faccio un video su come costruire con il fai da te un SuperCondensatore. Ci sarà anche una parte dedicata a come misurare le caratteristiche e performance di un SuperCapacitor con Arduino.

Batteria fai da te

Appena posso scrivo come costruire una Batteria con il fai da te. Non sarà facile lo so 🙂

Quanto è costato scrivere questo articolo ?

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Le batterie servono sempre 🙂

Batteria Auto a Super Condensatore fai da te ?

Avviatore di Emergenza per auto sempre carico a Super Condensatore ?

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ricerca e scrittura – 26/02/2021 – 8h