Batterijconstructie fundamenteel: cellen, interne weerstand, en connectiviteit

De term batterij duidt op een groep vergelijkbare componenten. In militair jargon verwijst het naar een cluster kanonnen; in elektronica beschrijft het een set voltaische cellen gecombineerd om hogere spanning en/of stroom te leveren dan een enkele cel kan bieden.

Elektrische symbolen zijn bewust eenvoudig: een enkele cel wordt vertegenwoordigd door een lange lijn en een korte lijn, parallel aan elkaar, met verbindende draden.

Een batterijsymbool is simpelweg meerdere celsymbolen gestapeld in serie, wat aangeeft dat de cellen zo verbonden zijn dat hun spanningen optellen.

Zoals eerder genoteerd, is de spanning van een cel vastgelegd door de chemie; de fysieke grootte van de cel verandert de nominale spanning niet. Om een hogere totaalt spanning te bereiken, moeten cellen in serie bedraad worden, en de uitgangsspanning van de batterij is de som van de individuele celspanningen. Bijvoorbeeld, een standaard automobiele lood-zuur batterij bevat zes 2,0-volt cellen, wat een nominale 12,0-volt uitgang oplevert:

In automobiele batterijen delen de cellen een enkele harde rubberen behuizing. Dikke loodstaven, in plaats van dunne draden, verbinden de cellen. De elektroden en elektrolyt van elke cel zijn geïsoleerd in gepartitioneerde secties van de behuizing. In grote-capaciteit batterijen zijn elektroden vaak grote metaalroosters of platen, algemeen "platen" genoemd.

Voor eenvoud tonen schematische symbolen typisch slechts vier lijnen—afwisselend lang/kort—zelfs als de echte batterij veel meer cellen bevat. Soms zie je een batterijsymbool met extra lijnen om ongewone hoge spanningen aan te duiden; elke lijn vertegenwoordigt een individuele celplaat:

Hoe batterijgrootte prestaties beïnvloedt

Terwijl de grootte van een cel de spanning niet beïnvloedt, beïnvloedt het wel de interne weerstand. Grotere cellen bieden een groter elektrodenoppervlak, wat de contactweerstand tussen elektroden en elektrolyt verlaagt. Lagere interne weerstand stelt een cel in staat om hogere stroom aan een last te leveren.

In theorie wordt een cel behandeld als een ideale spanningsbron. In de praktijk heeft elke cel interne weerstand die stroomlevering beperkt. Het volgende voorbeeld illustreert dit effect:

Het stip-lijndiagram toont een echte batterij met 0,2 Ω interne weerstand die een 1 Ω last voedt. Een ideale batterij (geen interne weerstand) zou 10 A leveren (10 V / 1 Ω). De echte batterij, beperkt door interne weerstand, levert slechts 8,33 A. In een kortsluiting (0 Ω last) zou de ideale bron oneindige stroom leveren, terwijl de echte batterij beperkt is tot 50 A (10 V / 0,2 Ω). De chemie van de cel levert nog steeds 10 V, maar een deel van die spanning valt over de interne weerstand, wat de klemspanning beschikbaar voor de last verlaagt.

Interne weerstand verlagen door parallelle verbinding

In veel toepassingen is de interne weerstand van een batterij verwaarloosbaar vergeleken met de lastweerstand, dus de prestaties benaderen een ideale bron. Wanneer een lagere totale weerstand vereist is—voor hogere stroomcapaciteit—moeten de cellen parallel geschakeld worden:

Het parallel verbinden van vijf identieke cellen levert een Thevenin-equivalent van een enkele 2,0-V bron op met een interne weerstand die een vijfde is van die van een enkele cel. De totale spanning blijft 2,0 V, terwijl de stroomcapaciteit toeneemt omdat elke cel de laststroom deelt.

Overzicht

• Een batterij is een cluster cellen gemonteerd om spanning en/of stroomuitgang te verhogen.
• Seriële verbinding (polariteit-gelijkt) telt celspanningen op.
• Fysieke celgrootte verlaagt interne weerstand, wat stroomlevering verbetert.
• Parallelle verbinding verlaagt equivalente interne weerstand, wat beschikbare stroom verhoogt.

Gerelateerde Werkbladen

• Batterijen Werkblad
• Thevenin's, Norton's, en Maximum Power Transfer Theorema's Werkblad