Den/Dan : TA2MBD Ye/Ya : TEKNIK@TUR Tip/Status : B$ Tarih/Saat : 04-Nis 16:09 BID : F80239TA2MBD Baþlýk : Piller ve Bataryalar Path: !TA2EY! From: TA2MBD@TA2EY.#ESK.TUR.EU To : TEKNIK@TUR PÝLLER BATARYALAR NÝ-CD PÝLLER HAKKINDA GENEL BÝLGÝLER Batarya Tarihi : Ýlk pratik olarak kullanýlabilen pil günümüzden 200 yýl önce Alessandro Volta tarafýndan yapýlan gümüþ-çinko pildir. Voltanýn bu keþfinden kýsa bir süre sonra Johann Wilihelm Ritter ilk þarjlý pili buldu. Ancak jeneratörlerin geliþmesi ve þarj cihazlarýnýn olmamasý tekrar doldurulabilir pillerin geliþmesini olumsuz etkiledi. Bundan sonraki önemli adým ise 60 yýl sonra George Leclanche'nin karbon-çinko pili bulmasýdýr. Bugün kullandýðýmýz pillerin atasý budur. Ýlk Kurþun-Asit Bataryalar : Ayný yýllarda Plante kurþun asit piller üzerine çalýþýyordu.Onun bu çalýþmalarý Hawker Energy Products'ýn çalýþmalarýna çok benziyordu.gelecek 20 yýllýk zamanda Faure ve diðerleri bunlarý geliþtirecek ve günlük kullanýma baþlanacaktýr.Daha sonra otomobil sanayiinde kullanýmýyla iyice geliþecektir. Ýlk Nikel-Kadmiyum Bataryalar : Nikel elektrot ve Alkalin sistemler kurþun asit bataryalardan 30 yýl kadar daha sonra ortaya çýkmaya baþladý. Edison 1890 yýlýnda þarj edilebilir alkalin pili yaptý. Ýsveçli araþtýrmacý Waldmar Jungner ilk küçük Nikel-Kadmiyum pili yaptý. Ýkinci Dünya savaþý sýrasýnda almanlar hafif ve kapasitesi yüksek NiCd pilleri havacýlýk sanayiinde kullanmak amacý ile geliþtirdiler. Avrupalý araþtýrmacýlar ilk gerçek anlamdaki NiCd pili 1950 yýlýnda geliþtirdiler. Temel Batarya Teknolojisi : Bataryalar elektrik enerjisini depo eder. Batarya terimi bir adet üniteyi temsil eder. Ancak bu ünite içinde bir ya da birden fazla hücre (cell ) bulunabilir. Celller bataryanýn yapý taþlarýdýrlar. Bataryalar genellikle birden fazla hücrenin birleþmesinden oluþur. Her batarya 3 temel öðeden oluþur. Anot (pozitif kutup),Katot (negatif kutup) ve kimyasal reaksiyonu saðlayan elektrolittir. Diðer anlamda elektrolit elektrik enerjisini depolayan ve geri veren kýsýmdýr. Ýdeal Batarya : Ýdeal bataryada aþaðýdaki özellikler olmalýdýr. 1. Yüksek enerji yoðunluðu olmalýdýr. 2. Taþýnabilir ve çevre þartlarýna dayanýklý olmalýdýr. 3. Uzun ömürlü olmalýdýr. 4. Emniyetli olmalýdýr. 5. Uygulama yeri için esneklik saðlamalýdýr. 6. Þarj edilebilir olmalýdýr. Batarya Tipleri : Bataryalar þarj edilemeyen ve þarj edilebilen tip diye ikiye ayrýlýr. þarj edilemeyenler bir kere kullanýldýktan sonra tekrar kullanýlmazlar. þarj edilebilen bataryalar binlerce kez þarj edilip tekrar kullanýlabilir. Þarj Edilemeyen Bataryalar : Þarj edilemeyen bataryalarýn birçok tipleri vardýr. En yaygýn olaný çinko-karbon olanlarýdýr. En önemli yanlarý ucuz olmalarýdýr. Alkalin-manganez bataryalar günümüzde bu pillerin yerini yüksek kapasiteleri nedeniyle almýþlardýr. Civa-çinko ve çinko-kadmiyum bataryalar ise saatlerde, týp alanýnda, iþitme cihazlarýnda çok kullanýldýlar. Ancak çevreyi çok kirletmeleri yüzünden diðer bataryalarla deðiþtirildiler. Hava-çinko bataryalar düþük güçlü uygulamalar için özellikle modern iþitme cihazlarý ve týbbi cihazlar için çok kullanýldýlar. Ayrýca þarj edilebilir hava-çinko bataryalar geliþim sürecindedirler. Termal bataryalarda þu anda askeri ve bilimsel alanlarda kullanýlmaktadýr. Bunlarýn yanýnda birçok batarya çeþidi olmasýna raðmen Lithium bataryalar ön plana çýkmýþtýr. Her boydaki lithium piller günümüzde mikro elektronik güç uygulamalarýnda aratan oranda kullanýlmaktadýr. Þarj Edilebilir Bataryalar : Þarj edilebilir bataryalar 3 tipte üretilir. Birincisi otomobillerde kullandýðýmýz ve akü dediðimiz açýk tip bataryalardýr. Atmosfere açýk olan bu bataryalar kullaným sýrasýnda atmosfere hidrojen gazý verirler ve bu yüzden su azaldýðý için suya ihtiyaç duyarlar. Bakým istemeyen bataryalarda sadece elektrolit fazla olup bu yüzden servis ömürleri boyunca bakým istemezler. Ýkinci tip þarjlý bataryalar yarý açýk yada yarý kapalý bataryalardýr. Bu tip bataryalarda kullanýlan elektrolitlerde atmosfere gaz salarlar. Ancak bu tip bataryalarýn elektrolitleri jel türündedir. Üçüncü tip bataryalar tamamen kapatýlmýþ (sealed) bataryalardýr. Kapalý tip bataryalar normal olarak çýkan gazý atmosfere vermezler. Bu teknoloji sealed Ni-Cd ve Sealed Lead bataryalarda kullanýlýr. Voltaj: Bataryanýn voltaj deðeri bataryanýn yapýmýnda kullanýlan materyallere baðlýdýr. Toplam voltaj anottaki oksidasyona ve katottaki potansiyel düþüþün toplamýna eþittir. Anot pozitif katot negatiftir.Katot ve anotta kullanýlan malzemeler bataryanýn voltajýný etkiler. Kadmiyum anoda ve nikel katoda sahip pillerde bu voltaj 1.2 volttur. Depolanmýþ Enerji : Depolanmýþ enerji demek bataryada ne kadar aktif malzeme kullanýldýðýdýr. Bu depolanmýþ enerji kapasiteyi belirler ve amper/saat olarak bataryanýn boþalýrken verdiði akýmý ve bu akýmý ne kadar süre verdiðini gösterir. Amper/saat oraný bataryalarýn kapasitesinin karþýlaþtýrýlmasý için kullanýlýr. Fakat bu karþýlaþtýrma sadece ayný kimyasal sistemi kullanan bataryalar için geçerlidir. Deðiþik kimyasal sistem kullanan bataryalar kapasite kadar aðýrlýk verdiði akým miktarý ile de karþýlaþtýrýlmalýdýr. Bu noktadan sonra sýk sýk "C" yada "C oraný" ný bataryalarýn doldurma ve boþaltma oranýný belirtirken kullanacaðýz. Bu "C" oraný rakamsal olarak kapasite oranýna eþittir. Batarya "C" oranýnda boþalýrken batarya minimum kapasitede "C" oranýnda bir saatte boþalmalýdýr. Yani 500 miliampersaatlik bir batarya bir saat boyunca 500 miliamper vererek boþalmalýdýr. Bazý NiCd batarya üreticileri bataryalarýn kapasite oranýný bir ya da daha fazla saat olarak vermektedir.bazýlarý her iki oraný da vermektedir. Birkaç örnek daha verelim. Bir saatte 0.25c oranýnda boþalan bir bir batarya bu oranda 4 saat akým vermelidir. (600 miliamper7saatlik pil 150 miliamper ile 4 saatte boþalmalý) 0.1C oraný ile boþalan bir batarya ise 10 saat bu akýmý vermelidir. (60x10=600 miliamper) NiCd Pilleri Elektro Kimyasal Yapýlarý : NiCd pillerin elektro kimyasal yapýsý kýsaca þöyledir. Elektrotlarýn fiziksel yapýsýný deðiþtirmeden üzerindeki aktif maddelerin oksidasyonla deðiþmesidir. Elektrotlardaki aktif maddeler alkalin elektrolit içersinde çözünmezler ve katý olarak kalýrlar. Bu NiCd pillerin neden uzun ömürlü olduðunun açýklamasýdýr. Çünkü kimyasal reaksiyon sonunda eksilen yada kaybolan aktif madde yoktur. Diðer önemli bir nokta ise NiCd pillerin tamamen deþarj oluncaya kadar voltaj deðerini korumasýdýr. NiCd pillerde nicel oxyhydroxide (NÝOOH) pozitif levha üzerine depolanmýþ edilmiþ aktif maddedir. Deþarj olurken depolanmýþ oxyhydroxide üzerinden geçen akým sebebiyle elektron alarak düþük seviyelere doðru azalýr (NÝOH)2 Kadmiyum metal (Cd) ise negatif tabaka üzerine depolanmýþ aktif maddedir. Deþarj olurken cadmium hydroxide ile oksidasyona girerek Cd(OH)2 elektron salar. Böylece elektrik akýmý oluþur. Pil þarj olurken bu sistem tersine döner. Böylece pil baþlangýçtaki voltaj ve kapasite deðerine ulaþýr yani dolar. Reaksiyonun oluþtuðu elektrolit potasyum hidroksitdir.(KOH).su içersinde yaklaþýk %32 oranýnda çözülmüþtür. Batarya aþýrý þarj edildiðinde pozitif elektrotta oksijen gazý üretilir. Fakat NiCd piller sýzdýrmazlýðý saðlanmýþ ve bu oksijeni içinde tutacak þekilde dizayn edilmiþtir. NiCd pil yavaþ yavaþ þarj edilirken bu oksijeni kapasitesini kaybetmeyecek þekilde içinde barýndýrýr. Bu pozitif levhanýn tam þarjlý olduðu durumda negatif levhanýn tam þarj olmamýþ durumda olduðu bir þekilde pillerin imal edilmesi ile saðlanýr. Pozitif ve negatif levha incelendiðinde negatif levhanýn pozitif levhadan daha büyük olduðu görülür. Fazla oksijen gözenekli (gaz geçirgen) seperatörden geçerek negatif levhanýn aktif yüzeyine ulaþarak burada gaz formundan hydroxyl ion formuna dönüþür. Bu hydroxyl ionlarý tekrar geri pozitif levhaya hareket ederek akýmý tamamlar. Eðer batarya emniyetli bir þekilde çalýþacak dizaynýný aþan düzeyde aþýrý þarj edilirse ortaya çýkan fazla oksijen gazý pil üzerindeki emniyet venti açýlarak atmosfere serbest býrakýlýr. Bataryalarýn Yapýsý : Nikel kaplanmýþ yuvarlak çelik gövdenin içine (negatif kutup) yerleþtirilmiþ yuvarlak çubuk ve bu çubuða baðlý bir kapaktan (pozitif kutup) oluþur.pozitif çubuðun etrafý gözenekli (gaz geçirgen) naylon yada yüksek sýcaklýklarda çalýþacak pillerde polyproplene ile kaplanmýþtýr. Bu pozitif ve negatif levhalarý birbirinden yalýtýr. Ayrýca kimyasal reaksiyonun oluþtuðu elektroliti barýndýrýr. Bu arada aþýrý þarj sonucu ortaya çýkan oksijen gazýný serbest býrakmak için çeþitli þekillerde yapýlmýþ ve kapak üzerinde bulunan vent sistemleri mevcuttur. Bu vent sistemi aþýrý þarj nedeniyle ortaya çýkan oksijeni atmosfere serbest býrakarak pilin emniyetli bir þekilde çalýþmasýný saðlar. žarj Etme : NÝCd piller uygun polarizasyonda elektrik akýmý verilerek direkt olarak þarj edilirler. Bu þarj akýmý direkt doru akým, tam yada yarý doðrultulmuþ alternatif akým yada diðer doðru akým veren kaynaklardan olabilir. Bir NiCd pil 0.02C kadar (kapasitesinin %2 si) bir deðerde þarj edilmelidir. Ancak günümüzde ticari olarak kabul edilen deðer 0.05C'dir. žarj oraný 20C kadarda olabilir.Fakat aþýrý þarj edilmemesine dikkat edilmelidir. Ancak pratikte þöyle tanýmlama yapýlmýþtýr. Bir pil tam olarak 1 saatte yada daha az sürede þarj ediliyorsa hýzlý þarj, 1 saatten 14 saate kadar þarj ediliyorsa çabuk þarj, 14 ila 16 saat arasýnda þarj ediliyorsa yavaþ (overnight) þarj diye adlandýrýlýr. žarj zamanlarýný þarj oranlarýna çevirirsek 0.05C'den 0.1C'ye kadar yavaþ, 0.2C'den 0.5C'ye kadar çabuk C ve üzeri oranlara ise hýzlý þarj denir. Yavaþ ve çabuk þarj cihazlarý günümüzde basit ve ucuz olduðun için çok kullanýlmaktadýr. Ayrýca þarj cihazlarý yüksek ve düþük oranda þarj için özel elektronik devre istemez. žarj edilebilir piller kendi ihtiyacýna göre alacaðý akým miktarýný ayarlar. Ayrýca günümüzde çoðu pil aþýrý þarjda pili korumak için negatif plaka pozitif plakanýn ürettiði fazla oksijeni absorbe edecek þekilde yapýlmýþtýr. Bu arada yüksek oranlarda þarj yapýlýrken ortaya çýkan bir diðer önemli faktör ise ýsýnmadýr. žimdi bir pil yüksek oranda þarj olurken voltaj,ýsý ve basýnç deðerlerini inceleyelim. Batarya basýncý þarj zamanýnýn çoðunda düþük seviyededir ve pil tam þarja yaklaþtýðýnda yükselir. Yüksek basýncýn sebebi oksijen gazýdýr. Aþýrý þarj edilen pilin içersinde çýkan oksijen gazý sebebiyle basýnç artar. Bu arada negatif plaka üzerinde oksijenin hydroxyl ionuna çevrilmesi sýrasýnda ýsý ortaya çýkar. Böylece pilin ýsýsý artar, artan ýsý içerideki gazý genleþtirerek basýncýn daha da artmasýna sebep olur. Yüksek basýnç ve ýsý özellikle sýzdýrmazlýðý saðlayan elemanlara zarar verir. Ayrýca dýþ ortama kaçan oksijen ileri aþamada pile de zarar verecektir. Dolayýsý ile hýzlý ve yüksek orandaki fazla þarj pile zarar verecektir. Yapýlan deneyler emniyetli þarj sýcaklýðýnýn maksimum 45 C derece olduðunu tespit etmiþtir. Bazý þarj cihazlarýnda bu sýcaklýðý kontrol eden ve yükseldiðinde þarjý kesen devreler mevcuttur. Bu arada yüksek sýcaklýk pillerin tam þarj olmamasýna da sebep olmaktadýr. Optimum þarj sýcaklýðý oda (23 C) yada daha aþaðýsýnda olan sýcaklýklardýr. Kýsaca þarja etki eden faktörler aþaðýda olduðu gibidir. 1. Þarj için doðru kutuplara doðru akým verilmelidir. 2. Þarj oranlarý hýzlý, çabuk ve yavaþ olarak sýnýflandýrýlýr. 3. 0.3C þarj deðerinin üzerinde yapýlan þarjlarda pil tam þarj olduðunda þarj durdurulmalý yada akýmý azaltýlmalýdýr. 4. Þarj olayý bataryanýn þarj edilebilirliðinin ölçüsüdür. Þarjýn etkinliði þarj oranýna ve sýcaklýða baðlýdýr. Deþarj : NiCd pillerin deþarj karakteristikleri þöyledir. NiCd piller boþalýrken voltaj deðerlerinde deþarj sonuna kadar bir deðiþme olmaz. Bazý deðiþkenler pillerin deþarjýna etki eder. Bunlar kýsaca þöyledir. 1. Deþarj oraný. 2. Deþarj süresi. 3. Deþarjýn derinliði. 4. Batarya þarj edilirken,kullanýlmazken ve deþarj olurken sahip olduðu sýcaklýk. 5. Þarj ve overþarj oraný. 6. Þarj süresi,þarjdan sonra ne kadar beklediði. 7. Daha önceki dönemlerde pilin maruz kaldýðý etkiler. Her NiCd pilin belirlenen oranda kapasitesi, deþarj voltajý ve efektif direnci vardýr. Tek bir pil 1.2 volt ile sýnýrlandýrýlmýþtýr ve bunun katlarý olarak deðer alýr.5 Tane pil seri baðlandýðýnda 6 volt gerilim saðlar. Deþarj voltajý 1.2 volttur ve zaman zaman deþarj voltajý 1.2 voltu geçmektedir. Çoðu üretici ürettikleri pillerin kapasitesini yeni ve tam þarj edilmiþ pillere göre verir.Pratikte pil kapasitesi için kabul edilen deðer amper/saat (yada miliamper/saat) ve 0.9 volta bir saatte düþünceye kadar verdiði akým deðeridir. Isýnýn Voltaja Etkisi : Pilin kapasitesine ýsýnýn nasýl etki ettiðine bakalým.Isý arttýkça pilin voltajý düþer. Voltaj düþtükçe vereceði akýmda azalýr.Dolayýsý ile düþük sýcaklýklardaki pilin kapasitesi yüksek sýcaklýktaki pile göre daha fazladýr. Çoðu üretici firma batarya kapasitesini 23 C derece (oda sýcaklýðý) sýcaklýkta hesaplar. Dahili Direnç : Pillerin kapasitesine etki eden bir diðer etkende pilin kendisinin sahip olduðu iç dirençtir. Bu iç direnç pilin vereceði maksimum akýmý belirler. Bu deðer ne kadar düþük olursa pil o oranda yüksek akým verir. Bu arada pillerin þarjý azaldýkça iç dirençleri artar. Pilleri Kendi Kendine Boþalmasý (Self deþarj) : Pilin kullanýlmadýðý zaman kendi kendine boþalmasýdýr. Bu deþarj pilin ömrü için zararlý deðildir. Bir pil oda sýcaklýðýnda her gün %1 oranýnda boþalýr. Her 10 derecelik sýcaklýk artýþýnda da bu oran ikiye katlar. Voltaj Kesilmesi : Deþarj sonunda pilin voltajýnýn birden sýfýra inmesidir. NiCD pil kullanýlan cihazlarda voltaj kesilmesi göz önünde tutulmasý gereken önemli bir konudur. Þimdi tipik voltaj profiline bakalým.Eðer voltaj kesme deðeri yüksek ise batarya kullanýmdadýr. Eðer voltaj kesme deðeri çok düþük ise yada yoksa çok çabuk þekilde kapasitesi ve ömrü düþer ve pilin kutuplarý ters döner. Tavsiye edilen voltaj kesme deðeri deþarj deðerine ve kullaným yerini göre deðiþebilir. Voltaj kesme deðerinin iyi seçilmesi maksimum kapasite kullanýmý saðlar. Seri baðlanmýþ paket pillerde özellikle hýz kontrol ünitelerinde ve fazla akým çekilen yerlerde kullanýlan bataryalar yüksek oranda akým kaybederek boþalýrlar. Bu yüksek orandaki deþarj batarya hýzla iç direncin deþarj sonuna doðru artmasý sebebiyle kutuplarýnýn ters dönmesine ve pilden hiç akým alýnamamasýna sebep olur. NiCd pillerde deþarj karakteristiði 23 C derece sýcaklýkta 1C yada 5C deþarj deðerinde 0.9 Volta kadardýr ve C nin nominal voltu 1.2 voltta iken þarj ve deþarj þartlarý pilin kapasitesine direkt etki eder. NiCd pillerin voltaj eðrisi deþarj boyunca çok doðrusaldýr ve kullaným boyunca 1.2 voltta neredeyse sabit kalýr ancak deþarj sonuna doðru voltaj çok hýzlý bir þekilde düþer. Bunun için kullaným yerine göre piller çok iyi seçilmelidir. Batarya ömrü : Batarya ömrü bir pilin kontrol edilen þartlar altýnda ne kadar þarj ve deþarj edilebildiðidir. Bir NiCd pil 10 yýl rahatlýkla kullanabilir. Evet yanlýþ okumadýnýz 10 yýl kullanabilirsiniz. Bunun yanýnda bir NiCd pili 10000 kez kontrol edilen þartlar altýnda þarj ve deþarj edebilirsiniz. Ancak dikkat edin kontrol edilen þartlar altýnda dedik. NiCd piller ayný teknoloji ile üretilir ve uydularda yaklaþýk 20 yýl kullanýlýr.NiCd pillerin ömrüne etki eden faktörler sýcaklýk,aþýrý þarj þartlarý ve küçük bir etken olarak da deþarjýn tipi derinliðidir. Bu etkenler batarya þarj sayýsýný ve ömrünü etkiler. NiCd bataryalarda bazen þarj sayýsý bataryanýn kullaným ömrünü belirler. Genellikle kapasitesinin % 80 'nini vermeyen piller ömrünü doldurmuþ olarak kabul edilir.Pilde ilk meydana gelen arýza seperatörün görev yapmayarak pilin kýsa devre olmasýdýr. Pil çok kýsa bir sürede kendi kendine boþalýr. Bu arada harici olarak kýsa süreli meydana kelen kýsa devreler pilin sýzdýrmazlýðýný saðlayan elemanlara çok zarar verir. Kýsacasý þarj deðeri,aþýrý þarj ortam sýcaklýðý, deþarj deðeri, pillerin kýsa sürede olsa kýsa devre yapýlmasý ve fiziki olarak zarar görmesi pillerin kullaným ömrüne kýsaltýr. Batarya Kutuplarýnýn Ters Dönmesi (Reversal) : Reversal nedir ? Birden fazla pilden oluþan paket piller potansiyel olarak reversal problemiyle karþý karþýyadýr. Bu paket pillerden çekilen akýmýn derinliðine baðlý olarak pillerden bir tanesinin voltajý sýfýra düþebilir. Eðer deþarj bu noktada devam ederse voltajý sýfýra düþmüþ pilin kutuplarý yer deðiþtirir. Yani pozitif kutup negatif, negatif kutup pozitif olur. Ýþte bu reversaldýr. öncelikle pozitif kutup tükenir. Deþarja devam edildikçe kutuplar yer deðiþtirir. Negatif elektrot pozitif olur ve voltaj -1.4 volta düþer. Bu noktada pil içerisinde hidrojen gazý üretilir. Hidrojen oksijen gazý gibi hydroxyl ionuna dönüþmediði için pil içerisindeki basýnç artar. Bu basýnç sonucu hidrojen gazý dýþ ortama atýlýr. Reversala engel olmanýn yolu dizayn aþamasýnda amaca uygun pil seçmektir. Eðer aþýrý akým çekilecekse voltaj kesme deðeri yüksek piller seçilmelidir. Pil Hafýzasý Yada Voltaj Düþüþü : Genel inanýþýn aksine batarya hafýzasý kapasitedeki kayýp deðildir.Batarya hafýzasý periyodik bir adýmdýr. Buna ne sebep olur ?. Gerçekte iki yol voltaj profilinde bir adýma neden olur. Birincisi çok yavaþ tam þarj yapmak ve bundan sonrada sürekli ayný oranda ve sürede pili tam deþarj yapmaktýr. Deþarj mutlaka her deþarjda ayný süre ve akýmda olduðu müddetçe bu etki görülür.Ýkinci ve sýk karþýlaþýlan etki voltaj çöküþü yada diðer adý ile batarya hafýzasýdýr. Buna devamlý olarak overnight oranýnda (Yavaþ þarj) aþýrý þarj yapmak sebep olur. Eðer batarya yavaþ þarjda uzun süre kalýrsa aktif madde üzerindeki kristaller büyür.Kristaller büyüyünce aktif maddenin elektrolitle temas yüzeyi azalýr ve bu dahili direncin artmasýna sebep olur.Bu arada voltajda düþme görülür. Voltaj adýmý aþýrý þarj olan bataryanýn ne kadar uzun süre þarj olduðuna ve ýsýsýna baðlý olarak deðiþik zamanlarda meydana gelir. Eðer aþýrý þarj devam ederse voltaj düþmesi batarya daha tam deþarj olamadan görülür. Voltaj depresyonu (çökmesi,azalmasý) etkisi bir yada birkaç normal þarj ve deþarjdan sonra ortadan kalkar. Günümüzde bataryalarda bu durum çok nadir görülür. TA2HO Hilmi OKUR (internetten derlenmiþtir)