Robot güç kaynakları

Robot Bilimi
Güç Kaynakları
Batarya 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
Napoleon
Bonaparte’ye
gösteriyor.
(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 Edilemez
Şarj 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 Arttırılması
Tıpkı, pili oluşturan hücreler gibi, pilleri seri ya da
paralel bağlayarak gerilimi ya da kapasiteyi
arttırabiliriz.
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 paralel
bağlayarak kapasiteyi
arttırabiliriz.
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 Hesaplanması
Gerilimin 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 Hesaplanması
Gerilimin 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 Hesaplanması
Çekilen 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 Hesaplanması
Çekilen Akımın Belirlenmesi
Örneğin;
Arduino Uno : 50mA
QTR-8A Sensör : 100mA
2 Adet 6V Motor %75 güçte : 2 x 1,2A = 2,4 A
Toplam yaklaşık akım değeri : 2,55A
Pil Kapasitesinin Hesaplanması
Çalışma 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 Hesaplanması
Çalışma 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 Hesaplanması
Örneğin, %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 Seçimi
Hesaplanan 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