|
Net zoals weerstanden en condensatoren kunt u ook elektrische cellen in serie en in parallel schakelen. Dan ontstaat een batterij. Maar om de eigenschappen van die batterijen te kunnen definiëren moet u eerst iets meer weten over de eigenschappen van losse cellen.
|
Eigenschappen van elektrochemische cellen
De emk of elektromotorische kracht
Emk is de afkorting van 'elektromotorische kracht', lees voor achtergrondinformatie over dit begrip het artikel 'Elektrische spanning'. Het is de spanning die de cel levert bij 'open' keten, dus zonder belasting. Open staat tussen aanhalingstekens omdat een elektrische cel natuurlijk (dat volgt uit het werkingsprincipe) alleen spanning kan afgeven als de kring is gesloten. Anders kan er namelijk geen sprake zijn van het noodzakelijke elektronentransport. Maar de cel wordt natuurlijk belast als u er een voltmeter op aansluit en zelfs deze zeer kleine belasting is groot genoeg om het principe in werking te zetten. De waarde van de emk is afhankelijk van de aard van de twee platen en onafhankelijk van de grootte van de elektroden. De emk gaat dalen als de cel polariseert en is in geringe mate ook afhankelijk van de verzadiging en de temperatuur van het elektrolyt.
De inwendige weerstand
De inwendige weerstand van een cel hangt op de eerste plaats af van het oppervlak van de twee elektroden. Hoe groter deze zijn, hoe lager de inwendige weerstand. De inwendige weerstand gaat dalen als te temperatuur stijgt en is in bepaalde mate ook afhankelijk van de verzadiging van het elektrolyt.
Het regime
Het regime is de maximale stroom die de cel kan leveren zonder dat er polarisatie-verschijnselen optreden. Het regime is voornamelijk afhankelijk van de kenmerken van de toegepaste depolarisator.
De capaciteit
De capaciteit is de hoeveelheid elektriciteit, uitgedrukt in Ampère-uur (Ah) die de cel kan leveren vanaf het moment van de samenstelling tot het moment van volledige uitputting. De capaciteit hangt af van de afmetingen van de platen en van de gebruikte materialen.
Schakelen van elektrochemische cellen
Serie en parallel
U kunt elektrochemische cellen, net zoals weerstanden en condensatoren, in serie of in parallel schakelen. In de meeste gevallen spreekt men dan van een 'batterij'. Hierdoor worden de eigenschappen beïnvloedt.
Serieschakeling van cellen
Bij de serieschakeling, voorgesteld in onderstaande figuur, wordt de positieve pool van de ene cel verbonden met de negatieve pool van de tweede en zo verder. In de meeste gevallen zult u identieke cellen in serie schakelen, maar theoretisch is dat geen voorwaarde. De serieschakeling levert een totale spanning die wordt voorgesteld door U en een stroom die wordt voorgesteld door I.
 |
| Het in serie schakelen van elektrochemische cellen. (© 2018 Jos Verstraten) |
- De emk
De totale emk van de batterij is gelijk aan de som van de emk's van de in serie geschakelde cellen. Zijn alle cellen identiek, dan volstaat het dus de celspanning te vermenigvuldigen met het aantal cellen dat in serie is opgenomen. - De inwendige weerstand
De cellen staan in serie en dus ook hun inwendige weerstanden. De totale inwendige weerstand van de batterij is gelijk aan de som van de individuele inwendige weerstanden. - Het regime
Als u identieke cellen in serie schakelt is het regime van de batterij gelijk aan het regime van één cel. Schakelt u niet-identieke cellen in serie, dan wordt het regime van de batterij gelijk aan het regime van de cel die het laagste eigen regime heeft. Hieruit blijkt dat het zeer onvoordelig is niet-identieke cellen in serie op te nemen. De grote stromen, die cellen met een groot eigen regime kunnen leveren, kunnen toch niet geleverd worden. - De capaciteit
De stroom I vloeit door alle cellen, zodat alle identieke cellen na dezelfde tijd uitgeput zullen raken. De capaciteit verandert dus niet bij de serie schakeling. Zet u niet-identieke cellen in serie, dan wordt de totale capaciteit bepaald door de cel die de laagste eigen capaciteit heeft.
Batterijhouders voor de serieschakeling
Vrijwel alle door elektrische cellen gevoede apparatuur maakt gebruik van de serieschakeling van identieke cellen om de benodigde voedingsspanning te verkrijgen. Dat is zo standaard, dat er hiervoor speciale onderdelen, batterijhouders, op de markt worden gebracht. In onderstaande foto zijn dergelijke batterijhouders voor de standaard 1,5 V type AA-cellen voorgesteld. Op deze manier kunt u de standaard voedingsspanningen van 3,0 V - 4,5 V - 6,0 V - 9,0 V - 12,0 V samenstellen.
 |
| Met handige batterijhouders kunt u de standaard 1,5 V cellen samenvoegen tot 'battery-pack's'. (© Banggood) |
Bij de parallel schakeling van cellen, voorgesteld in onderstaande figuur, moet u alle positieve polen met elkaar verbinden en alle negatieve polen met elkaar verbinden. Het is absoluut verboden cellen die een verschillende emk hebben parallel te schakelen. Hierdoor ontstaan grote circulatie-stromen in de schakeling, waardoor bepaalde cellen binnen de kortste keren volledig uitgeput raken of zelfs kunnen beschadigen!
 |
| Het parallel schakelen van identieke elektrische cellen. (© 2018 Jos Verstraten) |
De specifieke eigenschappen van de parallel geschakelde combinatie zien er als volgt uit.
- De emk
De emk van de batterij is gelijk aan de emk van de individuele cellen. - De inwendige weerstand
De totale inwendige weerstand van de batterij is gelijk aan de eigen inwendige weerstand van de cellen, gedeeld door het aantal parallel geschakelde cellen. U kunt batterijen die grote stromen moeten leveren dus het best samenstellen uit parallel geschakelde cellen. - Het regime
De individuele stromen I1, I2 en I3 vormen samen de uitgangsstroom Itot van de batterij. In de veronderstelling dat alle cellen dezelfde stroom I leveren, wordt de totale stroom gelijk aan het eigen regime van de cel, vermenigvuldigd met het aantal parallel geschakelde cellen. Batterijen die zijn samengesteld uit parallel geschakelde cellen kunnen dus zeer hoge stromen leveren. Deze stromen kunnen zo groot zijn dat u er zeer verstandig aan doet zekeringen in de schakeling op te nemen. Als u ongezekerde parallel geschakelde cellen per ongeluk kortsluit kan de kortsluitstroom zo groot worden dat draden gloeiend heet worden en brand ontstaat! - De capaciteit
De capaciteit van de batterij is gelijk aan de eigen capaciteit van de cellen, vermenigvuldigd met het aantal cellen.
Voor- en nadelen van de parallelschakeling
Het parallel schakelen van elektrochemische cellen heeft een heleboel voordelen. In vele opzichten vormt een dergelijke batterij een ideale spanningsbron met een zeer lage inwendige weerstand, een grote stroomleverantie en een aanvaardbare capaciteit. Het grote nadeel van de parallelschakeling is uiteraard dat de emk vrij laag is. Uit de spanningsreeks, besproken in het artikel 'Elektrochemie' volgt immers dat de maximale emk van een elektrochemische cel theoretisch nooit meer dan ongeveer 4,5 V kan bedragen.
|
|
Bestel elektronica boeken bij Amazon
