Notions d’électricité : W, Wh, A, Ah, mAh, V

Pas facile de s’y retrouver entre les watts, les ampères, les volts, les milliampère-heure ou les watt-heure qui sont utilisés dans toutes les fiches techniques des appareils électroniques qui nous entourent au quotidien. Nous allons tenter d’y voir plus clair ensemble avec cet article et quelques exemples pratiques.

Comment déterminer la puissance électrique ?

Le courant électrique est invisible et pourtant nous pouvons bien voir ses effets tous les jours. Pour essayer de se le représenter d’une façon plus intuitive, nous allons prendre comme exemple une citerne d’eau que l’on utilise pour récupérer les eaux de pluie et arroser le jardin. Le tuyau d’arrosage se connecte en bas de la citerne car c’est la hauteur de l’eau dans la citerne qui va donner la pression nécessaire pour arroser. Lorsque la hauteur de l’eau diminue dans la citerne, le débit à la sortie du tuyau d’arrosage diminue. Pour augmenter le débit de l’eau, on peut diminuer le diamètre de sortie pour augmenter la pression : nous avons tous fait ça enfant, en jouant avec le tuyau d’arrosage ! Ce sont les mêmes règles qui s’appliquent au courant électrique.

Résumons : La pression de l’eau à la sortie dépend de la hauteur de l’eau dans la citerne et du diamètre du tuyau.

En électricité, le principe est le même :
Puissance (pression de l’eau) = Tension (hauteur de l’eau) x Intensité (diamètre du tuyau).

Voici la formule pour calculer une puissance électrique :
Puissance (P) = Tension (U) x Intensité (I) soit P = U x I
La puissance s’exprime en watts (W).
La tension en volts (V).
L’intensité en ampères (A)
Ce qui donne : Watts = Volts x Ampères (W = V x A)

A partir de cette formule, on peut aussi calculer :
Tension en Volts = Watts / Ampères (V = W / A)
Intensité en Ampères = Watts / Volts (A = W / V)

Exemple de calculs de puissance électrique

Chargeur solaire SunMoove :
Puissance : 3,2 A x 5 V = 16 W
Tension : 16 W / 3.2 A = 5 V
Intensité : 16 W / 5 V = 3,2 A

Chargeur pour ordinateur portable :
Puissance : 2,37 A x 19 V = 45 W
Tension : 45 W / 2,37 A = 19 V
Intensité : 45 W / 19 V = 2,37 A

Pompe à eau :
Puissance : 5,45 A x 220 V = 1200 W
Tension : 1200 W / 5,45 A = 220 V
Intensité : 1200 W / 220 V = 5,45 A

Attention : toujours utiliser les mêmes unités de grandeur pour faire ces calculs. L’ampérage (intensité) pour les petits appareils électroniques est souvent exprimé en mA (milliampères), c’est plus impressionnant d’un point de vue marketing ! Il faut donc remettre la bonne unité : 1000 mA = 1A avant de faire ses calculs. Les unités comme les mV ou mW sont quasiment jamais utilisées pour les appareils grand public.

A noter : en général la tension (V) pour alimenter un appareil électronique ne varie pas : 5 V, 12 V, 19 V, 220 V, etc. La puissance (W) varie en fonction de l’intensité (A) du courant. Par exemple, vous pouvez trouver des chargeurs de 45 W ou 65 W avec la même tension de 19V pour alimenter un ordinateur portable :
2,37 A x 19 V = Chargeur 45 W
3,42 A x 19 V = Chargeur 65 W
Idem avec les chargeurs USB (5 V) pour smartphone / tablette :
1 A x 5 V = Chargeur 5 W
2 A x 5 V = Chargeur 10 W
4 A x 5 V = Chargeur 20 W

Comment se détermine la quantité d’énergie disponible ?

Cette question se pose lorsque l’on veut déterminer l’autonomie d’un appareil sur batterie ou le temps nécessaire pour charger une batterie. Pour faire ce calcul, nous devons faire rentrer le facteur temps dans les formules et c’est ici que nous allons utiliser la capacité exprimée en Ampère-heure (Ah) et la quantité d’énergie stockée en Watt-heure (Wh).

Voici la formule : Wh = V x Ah
A partir de laquelle on peut déduire : Ah = Wh / V et V = Wh / Ah et aussi h = Wh / W

Exemples

Avec une batterie de voiture de 12 V x 60 Ah = 720 Wh

Imaginons, que vous oubliez d’éteindre les phares qui consomment 50 W.
Combien de temps faudra-t-il pour vider la batterie si celle-ci est pleine ?
720 Wh / 50 W = 14,4 h soit 14 h 24 mn (avec 0,4 h x 60 mn = 24 mn)

Avec une pile AA/LR6 de 1,2 V x 2 Ah (2 000 mAh) = 2,4 Wh

Votre appareil photo fonctionne avec 2 piles AA. Vous avez une réserve de 2 x 2,4 Wh = 4,8 Wh.
Si votre appareil s’est vidé en 2 h, cela veut dire qu’il a consommé une puissance de 4,8 Wh / 2 h = 2,4 W en moyenne pendant ces 2 heures.

Avec une batterie externe de 10 000 mAh

La norme marketing pour exprimer la capacité des batteries des appareils portables (Powerbank, batteries de smartphone ou tablette) est généralement exprimée en mAh, ce qui n’est pas une bonne représentation de l’énergie réellement stockée qui se détermine en Wh.

En effet, prenons une batterie externe de 10 000 mAh, quelle est la quantité d’énergie stockée ?
Reprenons la formule : Wh = V x Ah
Il nous manque le voltage de la batterie (V), qu’il nous faut aller chercher sur l’étiquette ou la fiche technique de la batterie. En général, le voltage est de 3,7 V pour les petites batteries.
Ensuite il faut convertir les mAh en Ah : 10 000 mAh = 10 Ah.
Nous avons maintenant toutes les données pour calculer l’énergie stockée :
3,7 V x 10 Ah = 37 Wh

Les petites batterie externes utilisent des cellules de 3,7 V, les plus grosses des cellules de 7,4 V et les batteries de PC utilisent souvent des cellules de 14,8 V. Donc, en indiquant seulement une capacité de 10 000 mAh, nous pouvons avoir de grosses différences de réserve d’énergie selon la tension de la batterie :
3,7 V x 10 Ah = 37 Wh
7,4 V x 10 Ah = 74 Wh
14,8 V x 10 Ah = 148 Wh

Vous retrouvez le même principe avec les batteries de vélo électrique :
36 V x 10 Ah = 360 Wh
48V x 10 Ah = 480 Wh

Comment calculer le temps de charge d’une batterie ?

Prenons comme exemple le temps de charge d’une batterie externe de 10 000 mAh avec un chargeur solaire de 16W. Nous avons vu qu’une petite batterie externe de 10 000 mAh stocke en réalité 37 Wh. Appliquons la formule h = Wh / W avec 37 Wh / 16 W = 2,31 h soit 2 h 19 mn… en théorie.

Le courant de charge est en fait limité sur la plupart des appareils. Considérons que votre smartphone accepte 2 A à 5 V maximum pour la charge, soit 2 A x 5 V = 10 W. Donc même si le chargeur peut fournir jusqu’à 16 W, seulement 10 W seront absorbés. Le temps de charge est en réalité plus long : 37 Wh / 10W = 3,7 h soit 3 h 42 mn.

Poussons cet exemple plus loin avec un temps couvert ou le chargeur solaire ne fournira que 5W, le temps de charge sera évidemment beaucoup plus long : 37 Wh / 5 W = 7,4 h soit 7 h 24 mn.

Si nous reprenons l’exemple du vélo électrique, avec un chargeur de 150W, il vous faudra minimum 3h pour charger une batterie de 450 Wh ( 450 Wh / 150 W = 3 h)

Comment calculer le nombre de recharges pour son smartphone avec une batterie externe ?

Prenons un Smartphone équipé d’une batterie de 2000 mAh. Nous avons vu précédemment que l’énergie stockée dans la batterie sera en fait de 3,7V x 2 Ah = 7,4 Wh. Si la batterie externe est capable de stocker 37 Wh, alors vous avez 37 Wh / 7,4 Wh = 5 recharges de disponible en théorie.

Les pertes

Les résultats de tous ces calculs doivent être minorés dans la réalité. En effet, tout transfert d’énergie dans un circuit électrique induit des pertes (sous forme de chaleur) et la capacité des batteries se dégrade avec le temps. Il est assez difficile d’estimer exactement ces pertes, mais l’on peut prendre une marge de sécurité le plus souvent comprise entre 10 et 20%. Par exemple, si en théorie vous pouvez effectuer 5 recharges de smartphone avec une batterie externe, en réalité à cause des pertes vous pourrez compter sur au moins 4 recharges (-20%).

Conclusion

Nous espérons que ces quelques explications vous aideront à mieux appréhender les caractéristiques électriques des appareils électroniques grand public. Ces éléments devraient vous permettre de faire un choix plus éclairé lorsque vous hésitez entre plusieurs produits offrant les mêmes fonctions et surtout, de mieux apprécier leur autonomie réelle et les temps de charge/décharge de leurs batteries.