عناوين الدرس

التقنيات المختلفة للبطارية


1

هناك العديد من التقنيات المتاحة في مجال تصنيع البطاريات , هناك حقا مصادر جيدة متاحة في مجال   التركيب الكيميائي  للبطاريات  , موقع ويكبيديا تحديدا جيد وشامل . يركز هذا الدرس على معظم البطاريات المستخدمة في الأنظمة المدمجة و الالكترونيات .

المصطلحات

فيما يلي بعض المصطلحات التي غالباً ماتستخدم عند الحديث عن البطاريات.

السعة (Capacity)

تختلف البطاريات من حيث معدل الطاقة التي تستطيع تخزينها, عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل, تكون السعة هي مقدار الطاقة المخزنة في البطارية, البطاريات ذات النوعية المتشابهة  غالبا ما يتم تقيمها بمعدل التيار الذي يمكن إخراجه في وحدة الزمن. على سبيل المثال هناك بطاريات(بالساعة 1000mAh (milli-Amp و 2000mAh

الجهد الظاهري للخلية(Nominal cell voltage)

هو معدل الجهد المتوسط للخلية عندما تكون مشحونة, الجهد الظاهري للبطارية يعتمد على التفاعل الكيميائي المسبب له, بطارية السيارة من نوع (lead-acid) لهامخرج جهد يساوى12V بينما البطارية من نوع (lithium coin) لها مخرج جهد يساوى 3V.

وتعرف بـ ” الجهد الظاهري ”  , حيث ان القيمة الفعلية لقياس الجهد الكهربائي لمخرج البطارية سوف يتناقص اثناء عملية التفريغ للبطارية , البطارية المشحونة بالكامل من نوع (lipo) سوف تنتج جهد كهربائي عند المخرج حوالى 4.23V اما اثناء عملية التفريغ يصل جهد المخرج الى ما يقارب 2.7V.

الشكل (SHAPE)

البطاريات غالبا ما تأتى في اشكال واحجام متعددة  , الرمز “AA”يرمز إلى  نوع  وشكل محدد من الخلايا , يوجد هناك خيارات عديدة .

الابتدائية مقابل الثانوية (Primary VS Secondary)

البطاريات الابتدائية أو الاولية هي مرادفة في المعنى لإمكانية استخدامها لمرة واحدة , عندما ينضب هذا النوع من الخلايا فأنه لا يمكن اعادة شحنة مرة اخرى ,اما البطاريات الثانوية تعرف بالبطاريات ذات القابلية لإعادة الشحن . هذا يتطلب وجود مصدر اخر للطاقة لإعادة شحن البطارية , هذا النوع من البطاريات يمكن اعادة شحنة وتفريغه عدة مرات طوال عمر البطارية . بشكل عام البطاريات الابتدائية لها معدل تفريغ بطيء وبالتالي تظل لفترة اطول ولكنها قد تعتبر اقل قيمة من الناحية الاقتصادية إذا ما قارناها بالبطاريات ذات القابلية لإعادة الشحن.

2

كثافة الطاقة (Energy Density)

الجمع بين السعة وشكل وحجم البطارية, كثافة الطاقة للبطارية يمكن حسابها. اختلاف التقنيات المستخدمة في تصنيع البطارية يوفر بطاريات ذات سعات مختلفة , على سبيل المثال بطارية(lithium) تتمتع بحجم اكبر بالمقارنة مع بطاريات (alkaline)أو (Coin cell) .

معدل التفريغ الداخلي(Internal Discharge Rate)

هل حاولت من قبل تشغيل سيارة لم تعمل لمدة ستة شهور ؟ البطاريات تقوم بتفريغ شحنتها إذا بقيت مخزنة أو لم تستخدم, معدل تفريغ البطارية الذاتي في وحدة الزمن هو ما يعرف بمعدل التفريغ الداخلي.

الامان (Safety)

بما ان البطارية تخزن الطاقة ,  فهي تعتبر متفجرات صغيرة جدا , للحماية من الإصابة , البطارية مصممه لتكون أمنة على قدرالإمكان , معظم تكنلوجيا تصنيع البطاريات مصممه لتفريغ البطارية بشكل آمن في حالة سوء الاستخدام . إذا قمت بثني بطارية (alkaline) فأنك قد تشعر بحرارة ولكن البطارية لن تشتعل. معظم بطاريات (lithium Polymer) تحتوى على دوائر حماية داخلية لحماية البطارية من التلف وحمايتها من الاستخدام الغير أمن.

بطارية (lithium Polymer)

3

بطاريات lithium Polymer  أو ما تعرف اختصارا بـ (lipo)  تعتبر من افضل البطاريات التي يمكن استخدامها في مجال الانظمة المدمجة , وهى متوفرة بكثافة في الاسواق . وبما ان الهواتف المحمول كثيرا ما تستخدم هذا النوع من البطاريات فإنه يمكن العثور عليها بسهولة في الاسواق وبأسعار مناسبة , يجب اختيار الشاحن المناسب لهذا النوع من البطاريات .

الجهد الظاهري(Nominal voltage)

4

كل بطارية من النوع lipo لها جهد ظاهريnominal voltageيساوى3.7V, عندما تشحن البطارية بالكامل سوف تلاحظ ان قيمة الجهد تقترب من 4.3V ولكن سرعان ما تقل لتصل إلى 3.7V في حالة الاستخدام الطبيعي للبطارية. عندما تنضب يصل جهد الخلية إلى حوالى 3V , وهذا يعنى ان تطبيقك يجب ان يتعامل مع هذه القيم المختلفة للجهد في حالة إذا ما كان يتغذى مباشرة من البطارية . إذا كنت تحتاج الى 5V فهذا يعنى انك سوف تضطر إلى توصيل بطاريتان من نوع lipo لتحصل على جهد يساوى 7.4Vومن ثم تستخدم مثبت جهد لخفض الجهد إلى قيمة ثابتة تساوى 5v.

الموصلات (Connectors)

5

في عالم الالكترونيات الصغيرة , معظم بطاريات lipo تأتى بأنواع مختلفة من الوصلات ,وتعتبر الوصلات من النوع JST Connector هي الآمن , حيث تمنع توصيل البطارية بشكل خاطئ , الوصلة تستخدم الاحتكاك للتثبيت فمن الشائع استخدام الكماشة لفصل البطارية .

الشحن والتفريغ

6

يوجد العديد من الشواحن ذات التكلفة المنخفضة المستخدمة لإعادة شحن بطاريات lipo . غالبا مايستخدم معظمها usb لشحن البطارية , لاتحاول اعادةشحن بطاريات lipo بدون استخدام الشاحن , بطارياتlipo قد تتعرض للتلف إذا ماتعرضت إلى جهد شحن يفوق مايمكن ان تتحمله . لذا يجب استخدام الشاحن المصمم خصيصا لشحن بطاريات lipo  .

ايضا بطاريات lipo قد تتعرض للتلف في حالة التفريغ السريع. للحماية من ذلك, معظم بطاريات lipo مزودة بدائرة حماية في الجزء العلوى من الخلية والتي تعمل على فصل دائرة البطارية في حالة انخفاض قيمة الجهد عن قيمة محددة ( عادة ماتكون 3V ).

بطاريات lipo تمتلك معدل تفريغ داخلي بطئ جداً . مما يجعلها اختيار مناسب للمشاريع التي تحتاج إلى معدل منخفض من الطاقة وتعمل لفترات طويلة قد تمتد لأيام وشهور.

احذر كثافة الطاقة
هذا النوع من البطاريات يخزن حزمة من الطاقة ويمكن ان يكون مصدر لتيارات كهربائية مختلفة القيم , دائرة الحماية من الالتماس (short circuit protection) تعمل على فصل دائرة البطارية في حالة حدوث أي التماس.

نوصى باستخدام بطاريات lipo  في معظم التطبيقات المحمولة , فهي متماسكة لحد كبير وفى حالة استخدامها بطريقة امنه فإنها تكون مصدر عظيم للطاقة .

بطاريات من نوع (Nickel Metal Hydride)

7

بطاريات (Nickel Metal Hydride) او مايعرف اختصارا بـ (NIMH) هي من اكثر تقنيات  صناعة البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي اثبتت مكانتها . يتميز هذا النوع من البطاريات بانخفاض سعره ولكنه يعانى من نقص في كمية الطاقة المخزنة إذا ماقارناه ببطارية  lipo . بطاريات NIMH  تتطلب منحنيات شحن اقل صرامة مما يقلل من سعر الشواحن . غالبا ماتجد هذا النوع من البطاريات في المنتجات الالكترونية المنخفضة التكلفة مثل فرشاة الاسنان الكهربائية ومكينات الحلاقة , حيث يعتبر جهد المخرج للبطارية اقل قيمة (ستلاحظ فرشاة الاسنان الخاصة بك تعمل ببطيء ولكنها لاتزال تعمل).

مخرج الجهد الظاهري لكل بطارية يساوى  V1.2. هذا مشابهه جدا للبطاريات (alkaline) التي لها نفس الحجم مع مخرج جهد يساوى 1.5V. تجميع اربع بطاريات من النوع AA NIMH سوف يوفر لك جهد كهربائي عند المخرج يساوى 4.8V والذي يستطيع تشغيل التطبيقات التي تحتاج إلى جهد يساوي 5V ولكن سيصبح الانخفاض في الجهد مجمع.

8

وبسبب تشابهها مع البطاريات الاستهلاكية العادية , شحن بطارية NIMH يتم باستخدام الشواحن التي توضع في قابس الكهرباء.
نحن ننصح باستخدام بطاريات NIMH  في التطبيقات المصممة لاستخدام بطارية من النوع AA.

خلية العملة (Coin Cell)

9

خلية العملة أو ماتعرف بـ(Coin Cell) رائعة في التطبيقات الصغيرة والتي تحتاج لمقدار ضئيل من الطاقة  ,هذه البطاريات رخيصة ويمكن شرائها في مجموعات إذا دعت الحاجة. انها رائعة في اختبار مصابيح(LEDS), سوف تجد هذا النوع من البطاريات مخبأة في جهاز التحكم عن بعد (remote control) والشموع الكهربائية وكثير من الاجهزة الصغيرة .

هذا النوع من البطاريات غير قابل لإعادة الشحن , هناك انواع اكثر تعقيدا يمكن اعادة شحنها ولكن الاغلبية العظمى من هذه البطاريات ترمى بعد استخدامها .

التركيبة الكيميائية وتقنية التصنيع لهذا النوع من البطاريات فيه اختلافات كثيرة ,بعضها Alkaline و البعض الاخر lithium الـ Coin Cell Alkaline لها جهد ظاهري يساوى 1.5V بينما في المقابل Coin Cell lithium لها جهد ظاهري يساوى3V.

بطاريات Coin Cell تأتى في احجام مختلفة , ويكون لكل منها شفرة يستدل منها على حجم ونوع المكون الكيميائي للبطارية , بطارية Coin Cell Alkaline  تبدء بحرف ” l ” بينما بطارية Coin Cell lithium  تبدء بحرف ” C ” . ومن الامثلة المشهورة البطارية ذات الشفرة “CR2032 ” هي بطارية من النوع lithium ( وجهد ظاهري يساوى 3V ) مع قطر يساوى 20mm وطول يساوى 32mm . مثال اخر وهو البطارية ذات الشفرة “LR1154 ” لـ “LR44 ” وهي لبطارية من النوع alkaline وجهد يساوى 1.5V مع نصف قطر يساوى 11mm و طول يساوى 5.4mm.

بطاريات Coin Cell رائعة لتغذية التطبيقات الصغيرة مثل المتحكمات و المصابيح.

بطاريات Alkaline

10

لقد كبرنا مع هذا النوع من البطاريات التي يمكن استخدامها لمرة واحدة ,هذه البطارية قدانتشرت لعدة عقود ,لذا فمن السهل ان تجدها حولك في أي مكان , كما يوجد العديد من حافظات البطاريات والملحقات الخاصة بالبطاريات من نوع AA و  9V.

هذا البطاريات رخيصة وأمنة من حيث الاستخدام ومتوفرة في كل مكان ولكن للأسف فهي غير قابلة لإعادة الشحن . تركيبة Alkaline  الكيميائية تجعلها أمنة .

AA و AAA هما من اشهر انواع بطاريات Alkaline بجهد مخرج ظاهري يساوى 1.2V (ولكن بجهد يساوى 1.5V في اول مرة استخدام), نظرا لان جهد المخرج لهذه البطارية يساوى 1.2V, فأنت تحتاج لتجميع ثلاثة أو اربع بطاريات لتتمكن من تشغيل نظامك الذي يحتاج الي جهد يساوي 3.3V أو 5V.

11

بطارية 9V مع كيبل التوصيل رائعة , طريقة سريعة لعمل الانظمة المحمولة ولكن لا تتوقع ان تضل لفترة طويلة  , على الرغم من ان جهد المخرج لهذه البطارية يساوى 9V ولكن قيمة السعة لهذه البطارية صغيرة . غالبا ما نستخدم هذا النوع من البطاريات مع المبتدئين حيث يشعرون بالراحة في التعامل مع هذا النوع من البطاريات مع سهولة ايجادها .في حالة توصيل البطارية بشكل معكوس فهذا يؤدي إلى ارتفاع في درجة الحرارة ولكن نسبة الاضرار تكون منخفضة.