PİLLER ve AKÜMÜLATÖRLER

Piller kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üreten düzeneklerdir Günlük hayatta çok kullandığımız pillerin en büyük avantajı elektrik enerjisini taşınır kılmasıdır Çeşitli metaller kimyasal reaksiyonlar sırasında elektron verirler, buna yükseltgenme adı verilir.Çesitli metaller de bunun tersi olarak elektron alırlar buna da indirgenme adı verilir. Bu reaksiyonlar sırasında ;her metalin elektron verirken veya alırken, yarı pil potansiyeli adını verdiğimiz, verilen veya alınan elektronların karşılığı olan bir elektrik potansiyeli mevcuttur. Bir pili oluşturan iki metalin yarı pil potansiyelinin cebirsel toplamı o pilin ürettiği voltaja eşittir. Yükseltgenmenin olduğu elektrot Anotdur.Anoda gelen iyon da Anyondur,o halde Anyon negatif yüklü iyondur.Bunun tersi Katot ve Katyon olarak adlandırılır. İlk zamanlarda piller tek defa kullanılabiliyordu ve tekrar kullanılabilen elektrik kaynağı olarak akümülatörler bulunmuştu Zamanımızda pek çok çeşit pil, birden çok kullanılabilme, yani tekrar şarj edilebilme özelliğine sahiptir. Akümülatörlerde cell başına 2 volt gerilim elde edilir. Anot Kahverengi Kurşun oksit Katot ise sülfürik aside daldırılmış gözenekli kurşundan yapılmıştır.
Piller şu şekilde sınıflanabilir:
1-) Atom pili 2-) Yakıt pili 3-) Güneş pili 4-) Kuru pil 5-) Sıvı piller 6-) Gazlı piller
Atom pili uranyum ve grafit bloklardan oluşan ve nükleer enerjiden elektrik enerjisi elde etmeye yarayan pillerdir. Yakıt pili dışarıda ki yakıttan örneğin: hidrojen ve oksijen gibi, elektrik enerjisi elde etmeye yarayan düzeneklerdir. Güneş pilleri veya fotopiller amorf silisyum kristallerinden elde edilen P- N kavşaklı bir yarıiletken yapıdır.Takriben açık güneşli havada desimetrekare de 1 watt enerji verebilir. Pil İlk kez 1800 yılında Alessandro Volta tarafından yapılmıştır. Bu pil yuvarlak çuha veya karton parçaları ile birbirinden ayrılmış bakır ve çinko disklerinin asitli suya batırılması ile oluşmuştu. Bu tip pillerde
Volta pil
zamanla pozitif elektrot üzerinde hidrojen kabarcıkları oluştuğu ve EMK de azalma olduğu ortaya kondu,buna elektrot un kutuplanması denir,bunu azaltmak için çesitli oksitleyiciler kullanmak gerekir. Bu iş için kullanılan yükseltgen maddeler arasında;Kromik asit,Potasyum bikromat, Nitrik asit gibi sıvılar ve kurşun dioksit,manganez dioksit gibi katılar vardır.
1842 de Poggendorf daha sonra Grenet,Ducretet ve Trouve potasyum bikromatlı pili yaptılar ve bu piller 2 volt ve yüksek akım vermekteydi.Bu kutuplanmayan bir sıvı pildi.
Lechlanche pili bir kuru pildir. Bu pilde elektrot olarak Çinko ve Karbon kullanılır.Lechlanche pilini Fery geliştirdi ve kendi adı ile anılan pili yaptı. Eskiden cep fenerlerinde kullanılan akıp cihazları berbat eden piller bu pillerdir..
Lechlanche pilinde amonyum klorür jel haline getirilmiştir çinkoyu sarar.Karbon etrafında bir gözenekli kılıf içinde karbon ve manganez dioksit bulunur.Tepe ziftlenir. Burada reaksiyon sonucu Amonyak ve hidrojen iyonu oluşur.
Lechlanche pili
Yukarıda görülen Lechlanche pilinde turuncu renk karbon etrafınna sarılı olan manganez dioksit.Yeşil renk çinko katot, aradaki gri renk ise manganez dioksit ile çinko arasında bulunan jel Amonyum klorürdür.Kuru pillerde kutuplaşmayı önlemek için genel olarak kullanılan Manganez dioksittir. Bunsen pilinde bu maksatla nitrik asit kullanılır. Alman Fiziko-kimyacısı olan Robert Wilhelm Bunsen (1821 –1899 ) 1843 de bu pili yapmıştır. Sıvı kutuplanmaz pillerin ilk örneği Daniell pilidir. Daniel pilinde Bakır ve Çinko elektrot olarak kullanılır.1.08 volt elektrik gerilimi üretirler her elektrot kendi tuzlarının çözeltisine batırılmıştır ve arada gözenekli bölme ile birbirlerinden ayrılırlar.burada Çinko çözünür, Bakır ise çöker.Daniell pili bir sıvı pildir .Sıvı pillerde elektrolit sıvıdır. Daniel pili de böyledir, keza Akümülatörlerdede elektrolit sıvı Sülfürik asittir. Derişim pilleri de kutuplanmaz pillerdendir,burada aynı metalden yapılmış iki elektrot,bu metalin iki farklı tuzu içine konur.Latimer Clark ve Weston pili böyledir.Bu piller ölçek pil olarak adlandırılır ve pillerin iç direnci ve EMK ölçümünde referans alınırlar. Basınç altındaki gaz içinde olan piller gazlı pil olarak adlandırılır. Sir William Robert Grove İngiliz fizikçisidir. Aslında Bir hukukçudur ve amatör olarak fizikle uğraşmaktadır.1839 da elektrotları odunkömüründen olan gazlı pili yapmıştır.Gaugain ve Zeuger pilleri de gazlı pillerdendir. Pillerin tipleri ve tarihçesini kısaca bu şekilde özetledikten sonra, esas konumuz olan gündelik hayatta kullandığımız pilleri inceliyelim.
Günlük hayatta kullandığımız kuru piller, çeşitli boylarda ve güçlerde imal edilirler.Pillerin üretiği voltaj üzerlerinde yazılıdır. Pillerin eskimesi halinde bu voltaj değerinde düşme meydana gelir, buna bayat pil deriz.Normalde kullanılmış bir pilde bile çekilen akım, pilin verebileceği akımdan fazla değilse voltaj düşmesi meydana gelmez, bu şu demektir.biz bir pilin taze mi eski mi olduğunu yalnız voltajı ölçerek bulamayabiliriz.
Gündelik kullanımda ki piller iki tiptir:
1-) Tekrar şarj edilebilen piller 2-) Tekrar şarj edilemeyen piller
Şarj edilebilen piller :
1-) Nikel Kadmiyum piller 2-) Nikel Metal Hidrit piller 3-) Lityum İon piller
Şarj edilemeyen piller :
1-) Muhtelif alkalen piller 2-) Gümüş oksit piller 3-) Çinko - Karbon pilleri 4-) Civalı piller
NİKEL KADMİYUM PİLLER : Adından da anlaşilacağı gibi nikel ve kadmiyum dan yapılmış pillerdir. Bu piller hafızalı piller olarak ta adlandırılır. Şarjlı halde 1.44 volt maksimum voltaja sahiptir. Boş halde 1.2 voltta tutulmalıdır.Bu pillerin verimli kullanılması için 1.1 volt pil geriliminde mutlaka tekrar şarj edilmeleri gerekir. Bunun için özel düzenekler mevcuttur. Bu pillerin güç eğrisi birden azalır ve kullanım süresi sonunda güç birden düşer. Tüm pillerin üzerinde mevcut olan pilin akım gücünü gösteren bir rakam
mevcuttur bu mAmper / saat olarak ifade edilir. Bir pilin üzerinde 800 mA /h yazıyorsa bu şu demektir: Bu pil 800 mA akımı ancak bir saat akıtabilir. Eğer bu pilden devamlı olarak 100 mA akım çekiyorsanız o zaman bu pil size 8 saat hizmet edecektir. Nikel kadmiyum piller akım şarjına tabidirler şarj voltajları 1000 volta kadar çıkabilir. Ni-Cad piller üzerlerinde yazılı olan mA/saat değeri ne ise o değerin onda biri kadar bir akım ile 14 saat şarj edilirler.
Örneğin üzerinde 750 mA/saat yazan bir pili 75 mA ile 14 saatte şarj edebiliriz.Ama çoğu zaman hızlı şarj devreleri ile çabuk şarj gerekli olur.Bu durum pilin ömrünü kısaltır ve genellikle pilleri 1 saatte sarj edecek kadar akım basılır. Bu durumda 400 - 1000 mA gibi yüksek bir şarj akımı uygulanır.Bir Nikel Kadmiyum pilin şarj olduğunu, sıcaklığının artmasından da anlayabiliriz; çünkü bu, durumda reversible kimyasal reaksiyon bitmiş verilen enerji ısı enerjisine dönüşmekte demektir. Pek çok cihazda ,özellikle elektrikli traş makinalarında kullanılan 220 V kondansatör devreli akım regülatörleri çok başarılıdır lakin pillerin yerlerine yerleştirilmesi sırasında çarpılmamakta fayda vardır.
Bu tip pilleri şarj etmek için yapılacak şarj cihazının voltajını yüksek tutmak ve akım regülasyonu yapmak gerekir. Pratikte kullanılabileceğiniz çok basit iki şarj cihazı devresi veriyorum. 220 volt devresinde dikkat etmeniz gereken, pilleri taktıktan sonra anahtarı açmak olmalıdır. Veya bu voltajı transformatörle 70 - 80 volta düşürüp bu voltajda kondansatörün reaktansını bulup ona göre geçen akımı hesap etmelisiniz. Bu şekilde çarpılma riskini minimuma indirmiş olursunuz. İkinci devrede çok kullanılan bir voltaj regülatörü olan 'LM 317' akım regülatörü olarak kullanılmaktadır. Bu amaçla L200 de kullanılabilir. LM317'li devrenin tek dezavantajı maksimum 100 mA akım basabilmesidir.Yani bu devre ile ancak 1000 mA /saat gücündeki pilleri 14 saatte şarj edebiliriz. Fakat L200 ile iyi soğutulursa 1000 mA akım alınabilir. 220 volt şehir cerayanı ile çalışan şarj devresinde istediğiniz şarj akımını kendiniz hesaplayabilirsiniz. Biz burada 1200 mA / saat kapasiteli kalem piller için bir şarj devresi planladık ve bu pillerin 120 mA şarj akımı ile 14 saatte dolacağını hatırladık. Bağlanan kondansatörün alternatif akıma göstermesi gereken direnç 400 mA için:
V = İ x R den 220 = 0.4 A x R olur R = 220 / 0.4 = 550 Ohm olur. Kapasitif reaktans Xc = 1 /  . C dir. 550 Ohm luk dirence eşit kapasitif reaktans: Xc =550 = 1 / C x  olur. w değerinin 2p f ‘ e eşit olduğunu biliyoruz o halde: C = 1 /550 x 2x3.14x50 olur. C= 1/172700 = 5.7 mikrofarad olur.
Bu değerde tek bir kondansatör bulmak mümkün olmadığı için birden çok kondansatörü paralel olarak bağlayabiliriz. Dikkat edilecek bir husus da bu kondansatörün elektrolitik tip kondansatör olmamasıdır. Piyasada non polar yüksek kapasitede kondansatör pek bulunmaz o nedenle, bulunabilen 1.5 mikrofaradlık kondansatörler paralel olarak bağlanabilir. Kondansatörler en az 400 volt gerilime dayanmalıdır, 630 V gerilime dayanan kondansatörler tercih edilmelidir. Nikel - Kadmiyum pillerin şarjında değişik teknikler kullanılır, bunlar pilin ömrünü uzatmak için yapılan işlemlerdir. Pil yarı boşalmış halde iken şarj edilmez, aksi halde pil hafızasında tuttuğu bu noktadan ileriye doğru şarj olur bu da kapasitesini düşürür. Bu tip piller önce boşaltılır, sonra şarj edilir. Tricle şarj tekniği denen bir teknik de gelişmiş şarj cihazlarında mevcuttur. Bu teknikte düşük akım kullanılır.
NİKEL METAL HİDRİT PİLLER : Nikel Kadmiyum pillerden sonra piyasaya çıkan bir pildir. Ni - Kad. Pillere göre daha yüksek kapasiteye sahiptir. Şarj edilmeleri hemen hemen Ni-Kad. Piller gibidir. Her iki pilin de bir iç dirençi vardır, bu direnç Ni - Kad. Pillerde daha yüksektir, bu nedenle kullanılmadığında bu piller kendi içinden bir akım akıtır ve boşalırlar, bu olay NiMH pillerde daha çabuk olur ve daha kısa sürede boşalırlar
LİTYUM İON PİLLER : Diğer şarj edilebilen pillere göre daha yüksek kapasiteleri olan pillerdir. Hafif piller olup, kendi kendine boşalmaları yavaştır, memory effect ‘i yoktur deşarj güç eğrisi lineerdir ve sizi birden biterek yolda bırakmaz. Şarj edilmeleri biraz daha güçtür, fakat bir yandan kullanılır bir yandan da şarj edilebilirler. Hem voltaj hem de akım regülasyonu ile şarj edilirler. Aşağıda şehir cereyanı ile çalışan bir şarj devresi görülmektedir. Devre 120 mA akım verecek şekilde düzenlenmiştir. Bu durumda C1 kondansatörü 6 mikrofarad civarında olmalıdır. Burada R1 direnci 22 Ohm ve 2 W gücünde olmalıdır. C2 kondansatörü elektrolitiktir 100 mf 12 Vdur ve kutuplarına dikkat edilmelidir. Çıkış ucu elektrolitik kondansatörün negatif ucu olur ve buradan pozitif çıkış alınır. Akım çekilmesi sırasında direnç üzerinde oluşan voltaj yaklaşık 2.5 V kadar olup bir LED‘in ışıması için yeterlidir.
220 Volt Şehir cereyanlı şarj devresi ( 120 mA)
Aşağıda LM317 ile yapılmış bir akım şarj kaynağı devresi verilmektedir.Bu devrede R1 direnç değeri 12 ile 240 ohm arası bir değerde olabilir.Çıkış akımı 1.2 / R ohm = amper olarak hesaplanır bundan dolayı da bu devre ancak 5 ile 100 mA arasında kullanılabilir.Çıkış voltajı giriş voltajından 1.25 volt düşüktür. LM317 girişine 37 volta kadar gerilim uygulanabilir.
Bir akü şarj ünitesi ( TA2FR arşivinden )
Bu devrede 5 wattlık bir trafodan elde edilen 24 voltluk gerilim Bir köprü diyot girişine uygulanır.LM317 nin üç bacağı vardır, elemana önden bakıldığında bu bacaklar sırası ile soldan sağa doğru ayar çıkış,giriş dir.C1 kondansatörü 2200 mikrofarad 50 V'dur.R1 direnci 3 W dır.
Aşağıda Daha yüksek akım verebilen L200 ile yapılmış bir akım regülatörü görülmektedir, ayarlı direnç telli ve 5 W gücünde bulunabilirse devre ayarlı bir akım kaynağı olarak kullanılabilir. L200 Maksimum çıkış akımı 2 A olan ve çıkış voltajı 2.85 ile 36 volt arasında olabilen 5 bacaklı bir entegre devredir. To 220 kılıfı içindedir.
AKÜMÜLATÖRLER :
İlk kez Sir william Grove’un tasarladığı platin elektrotlu pil ile ortaya çıkan doldurulabilir pil yapımını Gaston Plante başardı.
Kurşun Kurşun oksit li Nikel Kadmiyum lu Nikel Demir li Gümüş Çinkolu
Olmak üzere değişik tip akümülatör ler mevcuttur. En çok kullanılan Kurşunlu akümülatörlerde, elektrotlar kurşundur. Seyreltik sülfürik asit de elektrolit olarak kullanılır. Akümülatörler voltaj kaynağı ile şarj edilirler normal şarj için kapasitesinin 1 /10 u kadar akım verilir ve 24 saat süresince şarj olur. Otomobillerde kullanılan akümülatörler 45 ve 60 Ah kapasitesindedirler. Yani bu akümülatör kullanılma süresi ile verdiği akım çarpımı 60'a eşittir. Yani 10 amper çekiliyorsa 6 saat akım verebilir. Dolu bir Akümülatör maksimum voltajı 14.5 volttur. Akümülatörler üzerinde ayrıca maksimum akım değeri de yazar bu çok yüksek bir akım değeridir.Bir Akümülatör 250 Ampere kadar bir akımı akıtabilir.