VADEMECUM PER I PROBLEMI ELETTRICI
Cariche, Corrente, Tensione,
Resistenza
la metto in parallelo o in
commutazione?
QUANTO TEMPO MI SERVE PER
RICARICARE ?
Premessa
Queste note non contengono progetti, schemi o
suggerimenti costruttivi, né soluzioni di alcun genere.
Lo scopo è di dare le conoscenze di base con cui
ognuno possa rispondere da sé alle domande più frequenti, del tipo:
- che autonomia ho?
- Quanto mi sarebbe utile una seconda batteria?
- Come si può stimare l’assorbimento medio di una giornata ?
- Quanto tempo impiego a ricaricare la batteria in viaggio?
- E con la 220 ?
- Cosa posso fare con un inverter e di che potenza mi serve?
- ecc.
Naturalmente chi mastica di Elettrotecnica non ha
bisogno di queste note. Se però vorrà leggerle alla ricerca di eventuali errori
o imprecisioni e me le farà notare, o per suggerire aggiunte, gli sarò
eternamente grato.
Il,primo capitolo dà un po’ di concetti molto alla buona, espressi con
parole semplici. Chi si accontenta di imparare a fare i conti senza capire
perché si fa così può saltare al secondo capitolo.
Cariche, Corrente, Tensione, Resistenza
Una batteria è un contenitore di particelle di
elettricità (cariche elettriche), come una vasca è un contenitore di particelle
di acqua.
|
Se mettiamo in comunicazione un volume d’acqua
contenuto in una vasca con un pozzo di scarico attraverso un tubo e una
turbina, si crea una corrente d’acqua attraverso il tubo e la turbina. La
turbina oppone resistenza alla corrente, perché le sue pale sono una specie
di strettoia e l’acqua deve compiere un lavoro per muoverle. Questa
resistenza determina la “corrente” (quantità d’acqua che passa). CORRENTE (d’acqua) = NUMERO DI LITRI AL SECONDO |
Se mettiamo in comunicazione le cariche contenute
in una batteria con la terra attraverso una lampadina, le cariche contenute
nella batteria si muovono, si crea una corrente di cariche elettriche
attraverso il filamento. CORRENTE (elettrica) = NUMERO DI CARICHE AL
SECONDO. |
|
Nel caso dell’acqua, se teniamo chiusa la valvola
verso la turbina, non c’è alcuna corrente e la turbina non gira, ma c’è
comunque la pressione esercitata dall’acqua sulla valvola. Ciò è
dovuto al fatto che l’acqua a monte della valvola è più in alto e quindi ha
un potenziale (capacità di compiere lavoro). |
Nel caso della batteria, se teniamo aperto
l’interruttore verso la lampadina, non c’è alcuna corrente e la lampadina non
brilla, ma c’è comunque un fatto: le cariche a monte dell’interruttore hanno
capacità di compiere lavoro sul filamento (anche se non lo compiono), cioè
hanno differenza di potenziale rispetto a terra. Questa differenza di potenziale si chiama Tensione. |
Quindi Corrente e Tensione sono
concetti egualmente importanti, ma ben distinti e non bisogna confonderli.
- Quando un circuito è aperto non c’è corrente ma c’è tensione.
- Quando un circuito è chiuso c’è corrente e c’è tensione.
- Quando un circuito è chiuso le cariche elettriche compiono un
lavoro (ad es. scaldano un filamento).
Veniamo ora alla Resistenza.
La tensione
di una batteria (ad es. i 12 volt nominali di una batteria al piombo da motore
o da cellula) può essere considerata quasi
costante se la batteria è carica e se il prelievo di
corrente è basso rispetto alla corrente massima che la batteria è capace di
erogare. Al di fuori di questi limiti, non è costante.
Abbiamo visto che ad una data tensione di batteria,
la corrente dipende da quanto l’utenza (il filamento di prima, o qualunque
altro apparecchio) “resiste” al passaggio delle cariche. Più resiste, meno
corrente passa
In effetti, la corrente è uguale alla tensione ai
capi del conduttore diviso un numero che indica quanto l’utenza “resiste“ al
passaggio delle cariche, appunto la Resistenza.
La Resistenza di un conduttore è la tensione
ai morsetti del conduttore diviso la corrente che passa nel conduttore.
- La corrente (cariche al secondo) si indica con i, si misura in
Ampere, simbolo A
- La tensione (potenziale rispetto a terra) si indica con v, si
misura in Volt, simbolo V
- La resistenza si indica con R, si misura in Ohm, simbolo Ω
(lettera greca omega)
Una relazione fondamentale che lega le grandezze
viste (corrente, tensione e resistenza) è la legge di Ohm.
Essa è la base per rispondere a tutte le domande concrete di chi vuol
dimensionare un semplice impianto elettrico e può essere enunciata in tutti
questi modi equivalenti
|
Corrente = Tensione diviso Resistenza Resistenza = Tensione diviso Corrente Tensione = Corrente moltiplicato Resistenza |
i = v/R R = v/i v = i*R |
1 A=1 V/1 Ω 1 Ω = 1 V/1 A 1 V = 1 A*1 Ω |
Capacità delle batterie
Se abbiamo detto che una batteria è assimilabile a
una vasca che contiene cariche elettriche, è ovvio che le batterie si
differenziano, oltre che per tensione (12 v, 6v, 1.5 v, ecc.) anche per
capacità.
|
Prendiamo una batteria d’auto da 12 v e
colleghiamola ad una resistenza di 4 ohm. Dalla prima delle relazioni precedenti ricaviamo
una corrente di 12 V diviso 4 Ω = 3 A: nella resistenza passano 3 Ampere |
Prendiamo una batteria da orologio da
12 v e colleghiamola ad una resistenza di 4 ohm. Dalla prima delle relazioni precedenti ricaviamo
una corrente di 12 V diviso 4 Ω = 3 A: sembra che nella
resistenza possano passare 3 Ampere, ma non è vero! |
Perché?
Perché la batteria da orologio di pochi grammi può
avere una capacità enormemente inferiore a quella di una batteria d’auto. Se
richiesta di erogare un numero di cariche al secondo pari a 3 A ,semplicemente
la sua tensione effettiva diminuisce fin quasi a zero, e la richiesta non viene
evasa.
La capacità di una batteria non è altro che il
numero di cariche che contiene. Si esprime moltiplicando la corrente in Ampere,
per il tempo in ore durante il quale può durare l’erogazione.
Due esempi:
Una batteria al piombo da autotrazione ha una
capacità di 100Ah (100 Ampere ora)
Una batteria al NiCd AA da 1,5 vha una capacità di
0.6 Ah.
Significa in pratica, che la batteria al piombo può
erogare in teoria
500 milliampere (0,5 A) per 200 ore oppure
1 A per 100 ore oppure
5 A per 20 ore oppure
10 A per 10 ore
ma NON
POTRA’ EROGARE
50 A per 2 ore e
tanto meno
100Aper 1 ora ecc
Questo
perché le batterie si comportano secondo la legge di Ohm entro i limiti in cui
la loro tensione rimane costante, cioè fino (orientativamente) a un 15% degli
Ampere dichiarati.
Ma perché
ho detto “in teoria”?
Perché una
batteria d’auto non può essere svuotata per più del 75%. In parole povere, da
una batteria dichiarata a 100 Ah non possiamo tirar fuori più di 75 Ah.
Se ci
proviamo, semplicemente non ci riusciamo, e compromettiamo la durata della
batteria.
Ecco che
con queste prime semplici nozioni siamo quasi in grado di calcolare
l’autonomia.
Che cosa
ci manca? Ci manca l’assorbimento delle utenze, in Ampere/Ora.
Poiché nella documentazione del mezzo è sempre dichiarato la potenza in Watt
delle singole utenze, dobbiamo solo imparare a convertire i Watt in AmperOra.
E’ molto semplice:
primo passo: il
numero di Watt (potenza) diviso 12 volt (tensione) fa gli Ampere (corrente).
secondo
passo: gli Ampere ottenuti moltiplicati
le ore di utilizzo fa gli AmpereOra (assorbimento)
Ad esempio:
3
lampadine da 20 Watt (totale 60 watt) diviso 12 volt fa 5 Ampere.
1 ora di accensione fa 5 AmpereOra.
Se ho una batteria carica da 100 AmpereOra (100 Ah, di cui solo 75 reali)
ho un’autonomia di 75 diviso 5 = 15 ore.
Valutiamo l’autonomia
Vediamo
ora come si può stimare l’assorbimento medio di una giornata estiva e di
una giornata invernale.
La stima è
fatta sulla base di tabelle i cui valori possono essere personalizzati, ma il
metodo è sempre valido.
Tabella da
personalizzare
|
Utenza[1] |
Num |
Watt |
Ampere |
Uso ore |
Ah |
Note |
|
Lampade alogene |
|
20 |
1,6 |
|
|
|
|
Lampade fluorescenti |
|
11 |
0,9 |
|
|
|
|
Boiler a gas Truma |
|
2,4 |
0,2 |
|
|
Circuiti di controllo |
|
Stufa a gas Truma Combi |
|
67 (max) |
5,6 (max) |
|
|
Ventilazione |
|
Pompa |
|
40 |
3,4 |
|
|
|
|
Frigo (funzionante a gas) |
|
|
|
|
|
Assorbimento elettrico trascurabile |
|
TV Lcd 15” via inverter |
1 |
35 |
3+1 [2] |
|
|
|
|
TV CRT 14” a 12 volt |
1 |
50 |
4,2 |
|
|
|
|
PC portatile |
|
|
|
|
|
|
|
Altro…decoder, DVD,… |
|
|
|
|
|
|
Un esempio
di uso estivo
|
Utenza |
Num |
Watt |
Ampere |
Uso ore |
Ah |
Note |
|
Lampade alogene |
2 |
20 |
1,6 |
2 |
6,4 |
1,6A*2lamp*2ore |
|
Lampade fluorescenti |
2 |
11 |
0,9 |
2 |
3,6 |
|
|
Boiler a gas Truma |
1 |
2,4 |
0,2 |
2 |
0,4 |
Circuiti di controllo |
|
Stufa a gas Truma Combi |
1 |
67 (max) |
5,6
(max) |
0 |
0 |
Ventilazione |
|
Pompa |
1 |
40 |
3,4 |
0,5 (30in) |
1,7 |
|
|
Frigo (funzionante a gas) |
1 |
|
|
|
0 |
Assorbimento elettrico trascurabile |
|
TV Lcd 15” via inverter |
1 |
35 |
3+1 [3] |
1,5 |
6 |
|
|
TV CRT 14” a 12 volt |
0 |
50 |
4,2 |
|
0 |
|
|
PC portatile |
1 |
40 |
3,3 |
1 |
3,3 |
|
|
Altro… |
|
|
|
|
|
|
|
TOTALE GIORNALIERO |
|
|
|
|
21,4 |
|
Il totale
giornaliero di questo esempio è 21,4 Ah al giorno
Siccome
disponiamo di 75 Ah effettivi abbiamo un’autonomia di 75 Ah diviso 21,4 Ah al
giorno cioè 3,5 giorni.
Un esempio
di uso invernale
Qui c’è
una brutta notizia: se fa molto freddo (diciamo da –5 in giù) l’efficienza
delle batterie soffre molto. Da una 100 Ah saremo in grado di sfruttare non più
di 55 – 60 Ah.
|
Utenza |
Num |
Watt |
Ampere |
Uso ore |
Ah |
Note |
|
Lampade alogene |
2 |
20 |
1,6 |
2 |
6,4 |
|
|
Lampade fluorescenti |
2 |
11 |
0,9 |
4 |
7,2 |
|
|
Boiler a gas Truma |
1 |
2,4 |
0,2 |
2 |
0,4 |
Circuiti di controllo |
|
Stufa a gas Truma Combi |
1 |
Vedi
nota A |
Vedi
nota A |
24 |
7 |
Ventilazione |
|
Pompa |
1 |
40 |
3,4 |
0,5
(30in) |
1,7 |
|
|
Frigo (funzionante a gas) |
1 |
|
|
|
0 |
Assorbimento elettrico trascurabile |
|
TV Lcd 15” via inverter |
1 |
35 |
3+1 [4] |
4 |
16 |
|
|
TV CRT 14” a 12 volt |
0 |
50 |
4,2 |
|
0 |
|
|
PC portatile |
1 |
40 |
3,3 |
1 |
3,3 |
|
|
Altro… |
|
|
|
|
|
|
|
TOTALE GIORNALIERO |
|
|
|
|
42 |
|
Il totale
giornaliero di questo esempio è 42 Ah al giorno.
Siccome
disponiamo di forse 60 Ah effettivi abbiamo un’autonomia di 60 Ah diviso 42 Ah
al giorno cioè 1,5 giorni, se va bene un giorno e mezzo.
Nota A -
Importante
Truma Combi - L’assorbimento medio dipende totalmente
dall’uso accorto o sconsiderato. Quello elencato è ottenuto realmente con un
uso accorto: stufa sempre attiva (altrimenti si gelano gli impanti),
temperatura 18 C quando siamo a bordo, 10 C quando non ci siamo, 16 C la notte
(Piumoni, e pigiama di flanella!!). L’uso allegro (22 C o più, docce come a
casa..) moltiplica per 2 o per 3 il
consumo di energia elettrica. Il che significa (fate voi i conti, ormai avete
imparato...) che l’autonomia scende a 1,3 o 1,1 giorni. E solo a causa del
riscaldamento.
Altre utenze - Ovvio che il televisore, DVD, PC tanto
amati nelle lunghe serate invernali hanno un effetto analogo. Per esempio, se
facciamo a meno delle 4 ore di televisore togliamo dal conto fino a 16 Ah e
quindi l’autonomia sale a 2,5 giorni
Abbiamo
così svelato il perché delle innumerevoli delusioni e sorprese del tipo “ma
come, ho una batteria da 100Ah nuova e piena, e non ci faccio neanche un week
end sulla neve !?!? “
E’ del
tutto intuitivo che con due Batterie identiche l’autonomia raddoppia.
Fin qui
non ho considerato pannelli né motogeneratori.
Col
generatore (a benzina, o a gas tipo Gasperini) il problema si ridimensiona fino
a scomparire, perché entrambi sono in grado di compensare i consumi.
Con i
pannelli la stima può essere solo approssimativa. Un pannello da 100 W montato
piatto sul tetto in una bella giornata d’inverno ripristina una quindicina di
Ah, quindi allunga l’autonomia da 1,5 a 2,5 giorni, e così via. Se si trova il
modo di inclinarli verso il sole, ancora meglio.
In
Giugno/Luglio un pannello da 100W (anche non in pieno sole), può essere
sufficiente o più che sufficiente a compensare tutti i consumi.
Le filosofie
di scelta (rumore, inquinamento), non sono argomento di discussione in questo
documento: qui si parla solo di banale elettrotecnica elementare.
Un dilemma
frequente in chi installa la seconda batteria di servizio è:
la metto in parallelo o in commutazione?
In
entrambi i casi la tensione è 12 v e la capacità teoricamente uguale al doppio,
nel secondo caso le batterie sono
attive una alla volta e si ricaricano una alla volta, e bisogna commutare
manualmente dalla 1 alla 2.
Il
parallelo sembra più comodo, ma non è consigliabile per i seguenti motivi.
Le due
batterie anche se identiche di marca e sigla, sono lievemente differenti come
resistenza interna, quindi si scaricano e ricaricano in modo lievemente
diverso. Questa diversità tende ad aumentare col tempo, e dopo un po’ una si
caricherà sensibilmente più dell’altra, e poi tenderà a scaricarsi sull’altra a
detrimento del rendimento generale. Tuttavia si sente talvolta l’opinione di
qualche utente che si dice soddisfatto del parallelo.
Ora, visto
che prima o poi la (le) batteria(e) si scarica(no), siamo maturi per
l’immancabile interrogativo:
QUANTO TEMPO MI SERVE PER RICARICARE ?
Qui
dobbiamo metterci il cuore in pace: la ricarica di una batteria di qualsiasi
tipo, a prescindere dal metodo di ricarica e dai proclami delle case, NON SARA’
MAI UN PROCESSO VELOCE.
Perché ?
Perché le centraline (intelligenti e non) utilizzano in modo decrescente la
corrente disponibile per la ricarica, allo scopo di salvaguardare la vita della
batteria e la possibilità di caricarla sempre a fondo.
Anche se
la centralina non è intelligente o se addirittura se la batteria venisse
rozzamente caricata con un caricabatteria da officina, sarebbe lei stessa,
entro certi limiti, a rifiutare l’eccesso di corrente.
In marcia,
la corrente generata dall’alternatore serve con priorità decrescente:
- I servizi della motrice (luci che in camper sono tante, ventola,
eventuale condizionatore in cabina, tergicristallo, alzacristalli..)
- I servizi della cellula, in primis il frigorifero, poi la ventola
del riscaldatore supplementare, luci interne, ecc
- Da ultimo quello che resta (in genere poco) va al caricabatteria,
che comunque non ne fa passare mai più di 15 A.
Se disponessimo di 15 A
residui tutti per la batteria, dovendo ricaricare i 75 Ah consumati sui 100 teorici, basterebbero 5 ore di
marcia o di 220 volt??
Certo che no. Il
caricabatteria rilascerebbe inizialmente tutti gli A disponibili, ma col passare e delle ore ridurrebbe sempre
più l’erogazione, fino a consentire una carica a 0,4 A.
Sperimentalmente risulta
che in queste condizioni le prime sei ore ripristinano circa 30 Ah le
successive 6 ore ripristinano circa altri 12 Ah e per i restanti 39 Ah
occorrono almeno altre 24 ore. Totale 36 ore per una carica completa.
Potete anche non crederci,
ma se volete essere tranquilli iniziate la carica due giorni prima.
E se la batteria è vecchia?
(non in cattive condizioni, solo vecchia)
E un po’ come una vasca da
100 litri con le pareti incrostate per un certo spessore. Il volume della vasca
è sempre 100 litri, ma la sua capacità sfruttabile è minore: la batteria non
potrà mai raggiungere carica piena.
La batteria invecchierà
tanto più rapidamente quanto più sarà scaricata eccessivamente e caricata
scorrettamente.
Ad esempio, utilizzare un
apparecchio da 800 watt tramite inverter per 10 minuti (85 A per 10 minuti,
pari a 51 Ah) sarebbe un utilizzo scorrettissimo (vedi oltre), e dopo
pochi trattamenti del genere la batteria riuscirà a ricaricarsi fino al 35 40%
. E non prendetevela col fabbricante.
EMERGENZA BLACKOUT NOTTE
Se la batteria ci ha
piantato di notte (stufa bloccata, valvola antigelo aperta), la situazione si
salva con uno Starter Pack (batteria a valigetta da 17 Ah con morsetti a pinza,
25 – 30 € ai Discount)
Si collega ai morsetti al
posto della batteria di servizio (rosso con rosso !) Non fa miracoli ma
se è carica ci fa arrivare fina alla mattina successiva con la stufa in
funzione.
In ogni caso spegnere la
pompa, se non si svuota l’impianto.
E passiamo all’inverter
La
corrente fornita dalle batterie è continua (cioè scorre nello stesso senso con
intensità quasi costante a parità di utenza.)
Invece
quella di casa è alternata, cioè il suo flusso si inverte 50 volte al secondo
perché prodotta da alternatori. Inoltre viene fornita alla tensione nominale di
230 v.
Per questo
gli stessi apparecchi per la casa o per il camper sono costruiti in modo
diverso, e la tensione di 12 v (quasi 20 volte meno) pone certe limitazioni.
Gli
inverter sono degli apparecchi che prelevano tensione continua a 12 V e con
essa fabbricano tensione alternata a 230 v.
Ad un
esame superficiale può sembrare che un inverter consenta di utilizzare in
camper gli stessi apparecchi che abbiamo a casa, ma ciò è vero solo in parte.
La
limitazione più importante sta nella potenza.
Spesso si
leggono amenità tipo “phon da 1000 W” o magari “Condizionatore dalla batteria”
perché no?, magari con la presa accendino…
E’
legittimo domandarsi perché non si dovrebbe potere, e lo scopo di queste note è
chiarire le idee.
Per
alimentare con inverter un apparecchio da casa da 1000w (ad es. un phon)
occorre un inverter da 1200 W (consuma di suo). 1200 w su 12 volt sono 100 A.
Già questo chiude la partita, perché una batteria di servizio da 100 Ah (leggi
75!) semplicemente non riesce a sparare 100 A neanche per 5 minuti, ci vorrebbe
una batteria da motore. Se colleghiamo l’inverter alla batteria con cavi da 1
metro occorrono cavi da 5 mm di diametro, se ci servono due metri accorre un
diametro di 10 mm, praticamente una barra!, un fusibile/portafusibile adeguato
è gigantesco e i morsetti anche.
Il taglio
giusto per un inverter è 150 w, è perfetto per apparecchi sino a 80/90 w,
televisore anche con DVD, un bello stereo, magari anche la ricarica telefono e
pile della digitale. Con un TV di vecchio tipo (spunta alta) l’inverter può non
farcela, in tal caso occorrerà un 300 w.
C’è
un’altra limitazione: la forma d’onda prodotta dall’invertitore è diversa (non
serve entrare in particolari) da quella dell’Enel.
Questa
diversità non dà generalmente problemi, se non qualche disturbo sui TV a CRT,
nessuno su quelli a LCD, però impedisce il funzionamento di alcuni motori
elettrici, ad esempio rasoio elettrico.
Per il PC
suggerirei di alimentarlo tramite gli appositi adattatori da auto, che sono
sofisticati e non costano molto, piuttosto che tramite inverter + alimentatore.
Televisori LCD
Tutti i TV LCD funzionano a 12 v stabilizzati. Alcuni
hanno l’alimentatore/stabilizzatore integrato nella base, e quindi in pratica
vanno a 230v.
Altri l’hanno separato, e può venire l’idea di
alimentarli direttamente a 12 con un cavetto accendino. Si può fare ma con
certe precauzioni. La batteria di servizio dà una tensione non stabilizzata,
che è di 13,2 a batteria carica e senza utenze, che scenda immediatamente a
12,6 appena si accende il TV. Fin qui tutto OK. Se si accendono altre utenze la
tensione effettiva diminuisce ancora, e quando si avvicina agli 11 v il video
si spegne, pur continuando l’audio. Non si guasta niente, ma lo spettacolo è
finito.
Se c’è un pannello è molto più difficile che ciò
accada
Ma quando siamo in ricarica da 230v, oppure in
marcia, la tensione sale a 14,2 o più, e a questo punto l’LCD rischia.
Meglio usare in ogni caso l’alimentatore del TV e
l’inverter, anche se ci costa 1 A in più.
Appendice per i più curiosi
Abbiamo
parlato di cariche senza dire che cosa sono.
Nella
conduzione metallica (cavi di rame) le cariche sono elettroni liberi che si
spostano nel metallo. Nella batteria sono elettroni e ioni dell’elettrolito.
Quando
diciamo corrente di un Ampere quanti elettroni al secondo attraversano la
sezione del conduttore?
All’incirca
1,6 moltiplicato 10.000.000.000.000.000.000
(19 zeri)
Un
movimento di cariche altrettanto imponente avviene nella cella della batteria:
le cariche nuotano nel liquido spostandosi da una piastra all’altra, ma il loro
diminuisce con la temperatura perche il freddo rallenta le reazioni chimiche
che producono le cariche. Ecco perché il freddo fa calare il rendimento delle
batterie.
Misure di
tensione
La
tensione di una batteria carica in buone condizioni, a morsetti aperti, cioè
che non ha utenze collegate, è di 13,2 v.
Anche la
tensione di una batteria mezza scarica in condizioni mediocri, a morsetti
aperti, è molto vicina a questo valore (a meno che uno o più elementi siano in
cortocircuito).
Quindi
misurare la tensione di una batteria mentre non sta lavorando non serve a
niente.
La
tensione deve essere misurata con un
buon numero di utenze accese, diciamo 7 lampadine, una ventola della stufa, la
pompa.
In tal
caso la lettura per una buona batteria carica all’80% dà un valore non
inferiore a 11,7.
Un valore
vicino a 11 fino a 10,8 indica che la batteria è sotto al 50%, inferiore che
stiamo andando verso valori troppo bassi. Attenzione che a 10,5 la Truma stacca
e la valvola antigelo del boiler si apre, provocando lo svuotameno
dell’impianto.
