Concetti elettrici: W, Wh, A, Ah, mAh, V

Non è facile orientarsi tra i watt, gli ampere, i volt, i milliampereora e i wattora utilizzati nelle schede tecniche dei dispositivi elettronici che ci circondano ogni giorno. Questo articolo e alcuni esempi pratici vi forniranno un quadro più chiaro.

Come si determina la potenza elettrica?

L’elettricità è invisibile, eppure possiamo vederne gli effetti ogni giorno. Per dare un’idea più intuitiva, prendiamo l’esempio di un serbatoio d’acqua utilizzato per raccogliere l’acqua piovana e innaffiare il giardino. Il tubo viene collegato al fondo della cisterna, poiché è l’altezza dell’acqua nella cisterna a fornire la pressione necessaria per l’irrigazione. Quando l’altezza dell’acqua nella cisterna diminuisce, la portata all’uscita del tubo flessibile diminuisce. Per aumentare il flusso d’acqua, si può ridurre il diametro dell’uscita per aumentare la pressione: lo abbiamo fatto tutti da bambini, giocando con il tubo! Le stesse regole si applicano alla corrente elettrica.

Riassumendo: La pressione dell’acqua all’uscita dipende dall’altezza dell’acqua nel serbatoio e dal diametro del tubo.

Per quanto riguarda l’elettricità, il principio è lo stesso:
Potenza (pressione dell’acqua) = Tensione (altezza dell’acqua) x Corrente (diametro del tubo).

Ecco la formula per il calcolo della potenza elettrica:
Potenza (P) = Tensione (U) x Corrente (I) cioè P = U x I
La potenza è espressa in watt (W).
Tensione in volt (V).
Corrente in ampere (A)
Watt = Volt x Ampere (W = V x A)

Da questa formula si può anche calcolare :
Tensione in Volt = Watt / Ampere (V = W / A)
Corrente in Ampere = Watt / Volt (A = W / V)

Esempio di calcolo della potenza elettrica

Caricatore solare SunMoove:
Potenza: 3,2 A x 5 V = 16 W
Tensione: 16 W / 3,2 A = 5 V
Corrente: 16 W / 5 V = 3,2 A

Caricabatterie per computer portatili:
Potenza: 2,37 A x 19 V = 45 W
Tensione: 45 W / 2,37 A = 19 V
Corrente: 45 W / 19 V = 2,37 A

Pompa dell’acqua:
Potenza: 5,45 A x 220 V = 1200 W
Tensione: 1200 W / 5,45 A = 220 V
Corrente: 1200 W / 220 V = 5,45 A

Attenzione: per questi calcoli utilizzare sempre le stesse unità di misura. L’amperaggio (corrente) per i piccoli dispositivi elettronici è spesso espresso in mA (milliampere), che è più impressionante dal punto di vista del marketing! È quindi necessario impostare l’unità corretta: 1000 mA = 1A prima di effettuare i calcoli. Unità come mV o mW non sono quasi mai utilizzate per i dispositivi consumer.

Nota: in generale, la tensione (V) per alimentare un dispositivo elettronico non varia: 5 V, 12 V, 19 V, 220 V, ecc. Il potere (W) varia in funzione dell’intensità di corrente (A). Ad esempio, è possibile trovare caricabatterie da 45W o 65W con la stessa tensione di 19V per alimentare un computer portatile:
2,37 A x 19 V = 45 W caricatore
3,42 A x 19 V = 65 W caricatore
Lo stesso vale per i caricatori USB (5 V) per smartphone/tablet:
1 A x 5 V = 5 W caricatore
2 A x 5 V = 10 W caricatore
4 A x 5 V = 20 W caricatore

Come si determina la quantità di energia disponibile?

Questa domanda si pone quando si vuole determinare l’autonomia di un dispositivo alimentato a batteria o il tempo necessario per caricare una batteria. Per effettuare questo calcolo, è necessario inserire il fattore tempo nelle formule, ed è qui che utilizzeremo la capacità espressa in Ampere-ora (Ah) e la quantità di energia immagazzinata in Watt-ora (Wh).

Ecco la formula: Wh = V x Ah
Da ciò si deduce: Ah = Wh / V e V = Wh / Ah e anche h = Wh / W

Esempi

Con una batteria per auto da 12 V x 60 Ah = 720 Wh

Supponiamo di aver dimenticato di spegnere i fari, che consumano 50W.
Quanto tempo ci vuole per scaricare la batteria se è piena?
720 Wh / 50 W = 14,4 h o 14 h 24 min (con 0,4 h x 60 min = 24 min)

Con una batteria AA/LR6 da 1,2 V x 2 Ah (2.000 mAh) = 2,4 Wh

La fotocamera utilizza 2 batterie AA. Si dispone di una riserva di 2 x 2,4 Wh = 4,8 Wh.
Se l’apparecchio si è esaurito in 2 ore, significa che ha consumato in media 4,8 Wh / 2 h = 2,4 W durante quelle 2 ore.

Con una batteria esterna da 10.000 mAh

Lo standard di marketing per esprimere la capacità delle batterie dei dispositivi portatili (powerbank, batterie per smartphone o tablet) è generalmente espresso in mAh, che non è una buona rappresentazione dell’energia effettivamente immagazzinata, che è determinata in Wh.

Se prendiamo una batteria esterna da 10.000 mAh, quanta energia immagazzinerà?
Torniamo alla formula: Wh = V x Ah
Non abbiamo la tensione della batteria (V), che dobbiamo trovare sull’etichetta o sulla scheda tecnica della batteria. In generale, la tensione è di 3,7 V per le batterie piccole.
Quindi è necessario convertire i mAh in Ah: 10.000 mAh = 10 Ah.
Ora abbiamo tutti i dati necessari per calcolare l’energia immagazzinata:
3,7 V x 10 Ah = 37 Wh

Le batterie esterne di piccole dimensioni utilizzano celle da 3,7 V, quelle più grandi da 7,4 V e quelle per PC spesso da 14,8 V. Quindi, indicando solo una capacità di 10.000 mAh, possiamo avere grandi differenze nelle riserve di energia a seconda della tensione della batteria:
3,7 V x 10 Ah = 37 Wh
7,4 V x 10 Ah = 74 Wh
14,8 V x 10 Ah = 148 Wh

Lo stesso principio si applica alle batterie delle biciclette elettriche:
36 V x 10 Ah = 360 Wh
48V x 10 Ah = 480 Wh

Come si calcola il tempo di carica di una batteria?

Prendiamo come esempio il tempo di ricarica di una batteria esterna da 10.000 mAh con un caricatore solare da 16W. Abbiamo visto che una piccola batteria esterna da 10.000 mAh contiene in realtà 37 Wh. Applichiamo la formula h = Wh / W con 37 Wh / 16 W = 2,31 h o 2 h 19 min… in teoria.

La corrente di carica è infatti limitata sulla maggior parte dei dispositivi. Supponiamo che il vostro smartphone accetti 2 A a 5 V al massimo per la ricarica, cioè 2 A x 5 V = 10 W. Quindi, anche se il caricabatterie può fornire fino a 16 W, solo 10 W saranno assorbiti. Il tempo di ricarica è in realtà più lungo: 37 Wh / 10W = 3,7 ore o 3 ore e 42 minuti.

Se consideriamo questo esempio in una giornata nuvolosa, quando il caricabatterie solare fornirà solo 5 W, il tempo di ricarica sarà ovviamente molto più lungo: 37 Wh / 5 W = 7,4 h o 7 h 24 min.

Utilizzando l’esempio della bicicletta elettrica, con un caricabatterie da 150W, ci vorranno almeno 3 ore per caricare una batteria da 450Wh (450Wh / 150W = 3 ore).

Come si calcola il numero di ricariche dello smartphone con una batteria esterna?

Prendiamo uno smartphone con una batteria da 2000 mAh. Abbiamo visto in precedenza che l’energia immagazzinata nella batteria sarà di fatto 3,7 V x 2 Ah = 7,4 Wh. Se la batteria esterna è in grado di immagazzinare 37 Wh, in teoria sono disponibili 37 Wh / 7,4 Wh = 5 ricariche.

Perdite

I risultati di tutti questi calcoli devono essere ridotti alla realtà. Qualsiasi trasferimento di energia in un circuito elettrico comporta perdite (sotto forma di calore) e la capacità delle batterie si deteriora nel tempo. È piuttosto difficile stimare esattamente queste perdite, ma di solito si può ipotizzare un margine di sicurezza compreso tra il 10 e il 20%. Ad esempio, mentre in teoria è possibile ricaricare lo smartphone 5 volte con una batteria esterna, in realtà si può contare su almeno 4 ricariche (-20%) a causa delle perdite.

Conclusione

Ci auguriamo che queste spiegazioni vi aiutino a comprendere meglio le caratteristiche elettriche dell’elettronica di consumo. Questi fattori dovrebbero permettervi di fare una scelta più consapevole quando siete indecisi tra diversi prodotti che offrono le stesse funzioni e, soprattutto, di apprezzare meglio la loro reale autonomia e i tempi di carica/scarica delle loro batterie.