Robot Bilimi

Güç KaynaklarıBatarya ve Piller

Öğr. Gör. M. Ozan AKI

r1.0

Güç Kaynakları

Elektronik devrelerin ve aktüatörlerin elektrik enerjisi ile çalışması nedeniyle mobil robotlarda elektrik enerjisi kullanılır. Elektrik Enerjisi ayrıca, depolanabilir ve taşınabilir bir enerjidir.

Elektrik enerjisinin depolanması günümüzde kimyasal yollarla yapılmaktadır.

Kimyasal reaksiyon sonucu elektrik akımı meydana gelmektedir

Volta Pili

Alessandro Volta pilini Fransız İmparatoru NapoleonBonaparte’yegösteriyor. (1800’ler)

Pil Kimyasalları

Bir pilde kullanılan kimyasal maddeler, bu pilin tekrar şarj olup olamayacağını, hücre gerilimini belirler.

Hücre Kimyasalı Şarj Durumu Hücre Gerilimi

Çinko-Karbon Şarj Edilemez 1,5 V

Manganez Dioksit (Alkaline)Şarj EdilemezŞarj Edilebilir

1,5 V

Lithium Şarj Edilemez 3,0 V

Kurşun-Asit (Akü) Şarj Edilebilir 2,1 V

Nikel-Kadmiyum Şarj Edilebilir 1,25 V

Lithium-Polimer (Li-Po) Şarj Edilebilir 3,7 V

Hücre Bağlantıları

Bir pil, tek bir hücreden oluşabileceği gibi, çok sayıda hücrenin seri bağlanmasıyla da oluşabilmektedir.

Çok hücreli pillerin gerilim değerleri, hücre geriliminin katları şeklinde artar.

AA, AAA, C, D boy piller, tek hücrelidirler.

9V bir pilde ise, pilin içinde 6 adet hücre vardır.

Pil Kapasitesi

Pillerin, gerilim değerlerinin yanında,Ah (Amper-Saat) ya da mAh (miliAmper-Saat) birimiyle kapasite miktarını gösteren bir değeri vardır.

Pil Kapasitesi

Örneğin 2000 mAh (2Ah) kapasiteye sahip bir pil;

• 1 saat boyunca 2,0 A akım verebilir,• 2 saat boyunca 1,0 A akım verebilir,• 30 dakika boyunca 4,0 A akım verebilir

Anlamına gelmektedir. Ancak bu doğrusal formül, gerçekte tam olarak geçerli olmamaktadır.Zira, 2000mAh lik bir kalem pilin 1 dakika için 180A akımı veremeyeceği aşikardır. Fiziksel yapısı da buna uygun değildir.

Pil Kapasitesi

Pil üreticileri, pil kapasite değerlerini belirli bir süre için vermektedir.

Dolayısıyla, verilen süre için bu değerler geçerli olurken, daha yüksek akımlarda bu kapasite düşerken, daha düşük akımlarda verilen kapasite değerinin üzerine çıkılabilmektedir.

Kapasite değeri, üretici ve pillerin modeline göre değişmekle birlikte, genellikle 8 Saat süreli test değerleri üzerinden belirlenmektedir.

Pil Kapasitesi

Pil Kapasite ve Geriliminin ArttırılmasıTıpkı, pili oluşturan hücreler gibi, pilleri seri ya da paralel bağlayarak gerilimi ya da kapasiteyiarttırabiliriz.

Burada dikkat edilecek en önemli husus, Seri yada Paralel bağlanacak tüm pillerin; aynı tipte ve aynı marka / model olması gerektiğidir.

Birbirine bağlı piller arasında farklılık olması durumunda, bazı piller diğerlerinin üzerinden akım geçirmeye başlar ve piller arasında bir iç akım oluşur.

Seri Bağlantı ile Geriliminin Arttırılması

Pilleri seri bağlayarak gerilimi arttırabiliriz.

Ancak kapasite, her bir pilin kapasitesi ile aynıdır.

Paralel Bağlantı ile Kapasitenin Arttırılması

Pilleri paralelbağlayarak kapasiteyiarttırabiliriz.

Ancak gerilim, her bir pilin gerilimi ile aynıdır.

Pil Kapasitesinin Hesaplanması

Robotumuz için pil seçimi yapmadan önce;

• Robotumuzun ihtiyaç duyduğu gerilim değerini• Robotumuzun nominal akım değerini

Bilmemiz gerekir.

Son bir soru ise,

• Robotumuz ne kadar süre boyunca tam güçte çalışmalıdır?

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıGerilimin Belirlenmesi

Gerilim değerini belirleyen ana faktör, kullandığımız aktüatörler, yani motorlardır.

Pil gerilimi, Seçilen motorun gerilimine eşit ya da biraz üzerinde olmalıdır.

Eğer tek bir pil bu gerilimi sağlamıyorsa, pilleri seri bağlayabilir ya da çok hücreli bir pil seçebiliriz.

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıGerilimin Belirlenmesi

Örneğin 6 V motor kullanan bir robotta;• 4 Adet seri bağlı 1,5 V pil, 4 x 1,5 = 6 V• 6 Adet seri bağlı 1,2 V pil, 6 x 1,2 = 7,2V• 1 Adet 2 hücreli Li-Po pil 2 x 3,7 V = 7,4 V

Örneğin, 12 V motor kullanan bir robotta;• 8 Adet seri bağlı 1,5 V pil, 8 x 1,5 = 12 V• 10 Adet seri bağlı 1,2 V pil, 10 x 1,2 = 12V• 1 Adet 3 hücreli Li-Po pil 4 x 3,7 V = 14,8 V

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıÇekilen Akımın Belirlenmesi

En basit yöntem, robot tamamlandıktan sonra normal çalışma gerilimi altında robotun akımını ölçmektir.

Ancak çoğu zaman, hangi pilin kullanılacağı robot tamamlanmadan önce belirlenmesi gerektiğinden bu yöntem her zaman mümkün olmaz.

Bu gibi durumlarda, kullanılan tüm malzemelerin nominal çalışma akımları toplanarak normal çalışma akımı bulunur.

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıÇekilen Akımın Belirlenmesi

Örneğin;

Arduino Uno : 50mAQTR-8A Sensör : 100mA2 Adet 6V Motor %75 güçte : 2 x 1,2A = 2,4 A

Toplam yaklaşık akım değeri : 2,55A

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıÇalışma Süresi

Pil kapasitenin seçimindeki faktörlerden biri ise, istenen çalışma süresidir.

Eğer amaç robotun bir yarışmaya katılması ise, bir yarışın zaman olarak ne kadar sürdüğü ve kaç yarışta yarışacağı, yarışma aralarında şarj fırsatının olup olmayacağı gibi sorulara cevap aramak gerekir.

Eğer şarj olmayan piller kullanılıyorsa, seçilen pilin ne kadar süre dayanacağını ve ne kadar yedek pil gerekeceğini de aynı şekilde hesaplamak gerekir.

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıÇalışma Süresi

Örneğin, çizgi izleyen bir yarışmanın her etabı 2 dakika sürdüğü düşünülürse,

Yarışma boyunca robotumuz en iyi ihtimalle finale kalırsa 4 defa yarışacak ise,

4 x 2 = 8 dakika toplam yarışma süresi anlamına gelir. 10 dakika da deneme sürüşleri yapıldığı varsayılırsa, fazlasıyla beraber 30 dakika aktif çalışma süresi belirlenebilir.

Pil Kapasitesinin HesaplanmasıÖrneğin, %75 Kapasitede çalışırken 2,55 A akım çeken robotumuz, aralıklarla 30 dakika (0,5 Saat) çalışmalıdır.

Robotun %75 güçte ihtiyaç duyduğu kapasite;

2,55 A x 0,5 h = 1,275 Ah ya da 1275mAh

Olarak bulunur.

Pil SeçimiHesaplanan 1275mAh kapasite ihtiyacı için pil seçiminde;

Bu seçim 30 dakika için yapıldı. 8 Saat nominal test süresinin 16 katı kısa olduğundan dolayı, yaklaşık iki katı değeri seçilebilir.

Pil Kapasitesi : 2300 mAh

Olarak seçilir.

Pil Bakımı