Artık nikel tabanlı piller pek kullanılmıyorlar, onların yerine lityum piller her yerde. Fakat yine de hali hazırda çalışmakta olan çoğu ürün nikel piller kullanıyor. Her ne kadar kullanımı terk edilmiş de olsa nikel piller uzakdoğu'da üretilmeye ve tüm dünya pazarına sunulmaya devam ediliyor; en azından bu yazımı oluşturduğum tarihlerde durum böyleydi. Umarım 20 yıl sonra bu yazıyı görüp bana gülmezsiniz.
Elimde hala Nikel pillerle çalışan birkaç alet var. İki adet antika diyebileceğim el feneri, bir adet analog multimetre, bunun gibi birkaç şey. Ancak son zamanlarda "transformatörsüz adaptör" ile şarj edilen iki fenerimde de bazı anormallikler tesbit ettim. Feneri yaktığım zaman gayet parlak şekilde başlıyor ve kısa zamanda giderek köreliyor. İçini açıp kontrol ettiğimde pillerde dengesizlik olduğunu farkettim. İki adet AA boy Nikel pilin birisi neredeyse ölü gibiydi. Ben de neler yapabileceğimi düşünerek birkaç basit devre oluşturmaya karar verdim.
Nikel piller cihazlara genellikle seri şekilde bağlanırlar ve BMS devresi uygulanmaz. Bu şekilde kullanılan bataryalarda hücreler arası gerilim farkı oluşması son derece normaldir. Aynı durum sadece nikel tabanlı pillerde değil, lityum teknolojili pillerde, kurşunlu akümülatörlerin her türünde, ve hatta çinko-karbon ve alkalin pillerde dahi ortaya çıkabiliyor. Bu, pillerin doğasından kaynaklanan çok normal bir durumdur. Ancak piller için çok zararlıdır.
Yukarıdaki devre, Nikel pilleri aşırı şarjdan korumak için uygulanabilecek en basit yoldur. Şarj kaynağı'nın artı'sı, pilin artı tarafından yani devrenin üstündeki yoldan girilir ve en alttaki yoldan da eksi uygulanır. İki adet diyot, 1N400X'dir. Her diyot, üzerinden geçen akım şiddeti 1Amperin altında olmak şartıyla 0,7V civarında gerilim düşümüne (Vf) sahiptir. Amperi düşük şarj gücü uygulandığı zaman pil, devredeki gerilimi kendi gerilim seviyesine bastırır. Bu nedenle İki uç arasındaki gerilim değeri, iki seri diyotun ileri gerilimleri toplamları olan 1,4V'dan çok daha düşüktür.
Nikel piller, 1,2V olarak bilinseler de aslında tam doluyken 1,35V civarında gerilime sahiptirler. Gerilim seviyeleri 0,9V ila 1V'ye düştüğünde bitti kabul edilerek tekrar şarja verilmelidirler. Şarj, hücre başına gerilim 1,41Volt'u bulana kadar uygulanır. Bu seviyede şarj kesilince, hücre gerilimi yavaş yavaş iner ve 1,35V'ler seviyesinde kendiliğinden sabitlenir.
Seri şekilde bağlanmış diyotlar, kendilerine paralel bağlanmış pilin kesim voltajı 1V civarında olduğundan henüz iletime geçmemiştir. Pil seviyesi 1,4Volt'u bulduğunda, diyot başına 0,7Volt düşmektedir. Bu, bir yarıiletkenin tam iletim voltajıdır. Bu kez turn on durumuna geçen diyotlar, akımı üzerlerinden geçirerek pilin daha fazla şarj olmasına müsaade etmez. Böylelikle şarj akımı sıradaki seri pile aktarılmış olunur.
Diyotların gerilim düşümleri, ısı ve akım koşullarında oynamaktadır. 1N400X serisi diyotların Vf değerleri 1V ila 1.1V civarında belirtilmektedir. Ancak bu, 1Amper civarında akım geçirildiği takdirde gerçekleşmektedir. Aşağıdaki görsellerde, bir 1N4007 üreticisinin dataşetindeki verileri size sunuyorum:
Resimdeki tabloya baktığımız zaman, 1N400X serisi diyotların ileri gerilimlerinin, üzerinden 1Amper civarında akım geçirilirken 1.1V civarında olduğunu anlıyoruz. Şimdi de aşağıdaki grafiğe bakalım:
Grafikte soldaki düşey eksen akım şiddetini gösterir. Yatay eksen ise ileri gerilim (Vf) sefiyesini göstermektedir. Diyottan 50mA civarında akım geçirildiğinde ileri gerilimin 0,7Volt civarında olduğunu, akımın arttıkça ileri gerilimin de arttığını; 1Amper seviyesinde 0,9Volt'ta, 2Amper seviyesinde ise tam olarak 1Volt ileri gerilim oluştuğunu okuyoruz.
Bu grafik, az evvelki değerleri pek doğrulamıyor; ancak bu değerlerin kesin hassasiyette oluşamayacağını, ortam sıcaklığının da bu değerleri etkileyen bir faktör olduğunu bilmemiz gerekiyor.
Bu kez diyodun hangi sıcaklıklta ne yaptığını gösteren bir grafiğe bakıyoruz. Sol taraftaki düşey eksen Akım değeri; yatay eksen ise Sıcaklık artışını göstermektedir. Diyot, 75-80 Celcius dereceye erişene kadar stabil şekilde 1 Amper akım geçirebilmekte ve fakat sıcaklık bu değerin üzerine çıktığında ise üzerinden geçen akım giderek düşmekte, en nihayetinde 150 dereceler seviyesinde artık bozularak hiç akım geçirmemektedir. Datasheet dosyasında okuduğumuz diğer notlarda ise diyodun sağlıklı şekilde çalışacağı ortalama sıcaklığın 50 derece civarında olduğu söylenmektedir. Bir önceki grafikteki akım ve Vf eğrisi diyodun joksiyon sıcaklığı 25derecede tutulurken elde edilmiştir.
Anladığımız kadarıyla diyot, sabit bir Vf elde edilebilecek bir eleman değildir. Bu nedenle yukarıda gösterdiğim şekilde BMS olarak kullanılması, en iyi sonucu veremeyeceği anlamına geliyor. Ancak, elde olan şartlarda, pil gerilimlerinin aşırı tırmanmaması ve piller arasında aşırı gerilim farklarının oluşmaması açısından böyle bir uygulamaya başvurabiliriz.
Size konunun başında belirttiğim el fenerlerinde, piller seri şekilde bağlıdır ve transistörlü, içlerinde özel BMS sığdırabilecek yer yoktur. Ayrıca Nikel piller için BMS devresi de hiçbir yerde bulunmamaktadır. Dolayısıyla bu diyotlu basit yöntem, işimizi görecek kadar idare edecektir. İki diyot, ısıl şartları dikkate almazsak, ortalama olarak 1,4-1,6Voltlar seviyesinde ileri gerilim oluşturursa, piller dolduğu anda tam iletime geçmek suretiyle pillerimizi koruyabilirler.
Bu kez devrenin tamamlanmış halini görüyoruz. El fenerinin içine pillere aynen şekildeki gibi yerleştirilmiş toplam 4 adet 1N4007 diyotunun pilleri dengeleyeceğini umuyorum. Akım sınırlama direnci, güç kaynağının değerlerine bağlıdır. Bu örnekte benim fenerimin güç kaynağı bir transformatörsüz adaptör olduğundan, esasen direnç kullanmaya gerek yok; zira zaten güç kaynağının kendisi en fazla 32mA akım sağlayabiliyor.
El fenerimdeki kapasitif adaptör devresinde 470nF kutupsuz kapasitör kullanılmış. Bu devreden çekilebilecek en yüksek akım, 32mA kadar. Pil boşken ve doluyken çekilecek akım değişecektir. Şu anda fenerimde pillere paralel olarak bağlı, BMS amacıyla konmuş diyotları bağladım. Ancak kesin sonuçları elde edebilmem zaman alacaktır Şu anda prizde, şarj oluyor.
Güncelleme: yazının en sonuna bakınız.
Devredeki diyotlar teorik olarak 1N4007 ise de aslında farklı diyotlar da denenebilirdi. Örneğin bir adet 1N400X'in gerilim düşümünün -katalığa göre- 1V olduğunu ve BMS'nin devreye girmesini beklediğimiz voltajın 1,4V-1,5V olduğunu varsayarsak, diğer diyot bir şotki diyodu da olabilir. Şotki diyotlarının gerilim düşümleri tipten tipe değişmekle beraber 0,5V olabiliyor. Bu durumda;
1N4007 + 1N5800 =
1V + 0,5V = 1,5V olacaktır (teorik).
Bu dahi istediğimiz voltajı tam tutturduğumuz anlamına gelir. Ancak az evvel de yazdığım gibi diyotların ileri gerilim karakteristikleri stabil değildir ve ne kadar etkili bir devre yapabileceğimiz belli değildir.
Herşeye rağmen yapım kolaylığı, az yer kaplaması ve ucuz olması açısından denemeye değer.
Diyotların aniden devreye girmesiyle eğer gereğinden fazla yüksek akım geçeceğini, bu akımın diyotun ileri gerilimini yukarı çekeceğini düşünerek, diyot serisine küçük değerli bir direnç bağlanabilirdi. Bu direncin 1 Ohm olduğunu varsayarsak, devre bu kez aşağıdaki gibi olurdu:
1 Ohm, aslında küçük bir değer gibi görünse de yukarıdaki durumda aslında çok büyüktür. Zira araya giren bu direnç bu defa "toplam ileri gerilim" değerini değiştirecektir. Dolayısıyla devrenin ne kadar ideal olup olmadığını bilemiyorum.
Bu konu üzerinde biraz daha düşünerek transistörlü Nikel pil balans devresi oluşturmaya çalıştım ancak tabii ki bu sadece teorik bir devredir:
Akım kaynağından gelen şarj akımı, 560R ve 500R potansiyometre ile oluşturulmuş gerilim bölücü üzerinden BC547'nin beyz'ini tetikleyecektir. Amaç, hassasiyet ayarı yapabilmektir. Diyot, yine 1N4007'dir. Transistörün beyz-emetör diyodunun Vf'sini teorik olarak 0,7V olarak düşündüğümüzde, besleme gerilimi 1,4Voltu bulana kadar diyotlar iletime geçmeyecek ve transistör de turn-on olmayacaktır. Gerilim seviyesi her diyot için 0,7V ve üzeri olduğunda bu kez transistör aniden iletime geçerek 10R direnci direkt eksi hattına bağlar. Böylelikle şarj akımı bu direnç üzerinden sıradaki seri pile akacaktır. Bu kadar basit. Ancak devreyi test etmedim, henüz teori. 10R direnç biraz fazla büyük olabilir ve daha aşağı çekilmesi gerekebilir. BC547'nin kollektör akımı 400-500mA civarındadır ve bu akım değerini aştırmamak şartıyla uygun direnç değeri tutturulabilir. Bu devre de diğeri gibi her pilin uçlarına uygulanarak birbirine seri şekilde üstüste bağlanabilir.
Elbette oluşturulabilecek devre teorileri bununla sınırlı değil. Ancak yazıyı boşu boşuna uzatmak istemiyorum. İlk başta da dediğim gibi artık Nikel piller sıklıkla kullanılmıyor ve yapılacak çabalar belli bir maliyeti aşmamalıdır. Dolayısıyla sanırım yazımı burada noktalamamın zamanı geldi. Şayet bu konuda tecrübeleriniz olursa ya da test ederseniz sonuçları yorumlarda paylaşabilirsiniz.
26.10.2021 tarihli güncelleme: İki adet el fenerimde yaptığım testlerde, diyotların sızıntı akımları nedeniyle pilleri 2-3 günde boşalttığı sonucuna ulaştım. Dolayısıyla bu yöntemi, pilli aygıtların içerisine kalıcı olarak yerleştirmeyip, pilli şarj cihazı yapacaksanız sadece orada kullanın. Yani BMS devreniz pile devamlı bağlı kalmasın. Bu arada resimde gördüğünüz fenerdeki batarya dengesizlik sorunu, iki diyotun pilleri derin deşarja götürmesi sebebiyle düzeldi. Artık piller tam performans çalışıyor ve uzun süre şarj tutuyor. Bu basit teorik devreyi hafıza etkisini yok etmek için kullanabilirsiniz, bende işe yaradı. Derin deşarj, Nikel tabanlı pillerde hafıza etkisini düzeltmek için kullanılan ve bilinen bir tekniktir.
Esen kalın.
seron
basitelektronikprojeler.blogspot.com
Yorumlar
Yorum Gönder