:: به بخش پنجم خوش اومدین ::

منبع تغذیه (Power Supply)، بخشی از یه سیستم الکترونیکی یا یه رباته که انرژی الکتریکی مورد نیاز همه‌ی قطعات و اجزا رو تامین می‌کنه. به طور دقیق‌تر، منبع تغذیه انرژی اصلی رو میگیره(از باتری، برق شهری یا سلول خورشیدی) و اون رو به ولتاژ و جریان مناسب برای هر قسمت از مدار تبدیل می‌کنه. این اجزا و قطعات می‌تونن انواع موتورها، برد کنترل، سنسورها و ماژول‌ها باشن.

یه منبع تغذیه مناسب برای ربات، چند‌تا ویژگی اصلی داره: اول اینکه بتونه انرژی پایدار و مطمئنی برای ربات فراهم کنه. این یعنی وسط کار قطع و وصل نشه، شارژش زودتر از موعد تخلیه نشه و بتونه انواع ماژول‌های روی ربات رو هم راه اندازی کنه. دوم اینکه بتونه ولتاژ و جریان مورد نیاز ربات رو تامین کنه. این یعنی وقتی ربات در حال کار کردنه، کمبود ولتاژ یا جریان، اون رو متوقف نکنه. ویژگی سوم مقاومت منبع تغذیه دربرابر اتصال کوتاهه. این ویژگی باعث میشه که نه تنها خود باتری باعث ایجاد نوسان الکتریسیته تو مدار‌های مختلف ربات نشه، در عین حال در برابر هر نوسان جریان یا ولتاژی که از مدار‌ها به منبع تغذیه برمیگرده هم مقاومت کنه. برای اینکه یه منبع تغذیه این وبژگی‌ها رو داشته باشه، به مدار شارژ و مدیریت باتری (BMS)، مدار تنظیم ولتاژ (رگولاتور / مبدل DC-DC)، مدار حفاظتی و نهایتاً هم خروجی‌های توزیع‌شده داره.

انواع باتری

دنیای باتری‌ها یه دنیای بزرگ و کاملاً تخصصی هست. از طرفی هم هر روز اکتشافات و اختراعات زیادی تو زمینه باتری‌ها به وجود میاد. از طرف دیگه چون قراه تو این سایت چیزایی گفته بشه که شما رو به ساختن رباتتون نزدیک کنه، پس از اطلاعات اضافی کم می‌کنم و به ساده‌ترین روش، انواع باتری‌هایی که می‌تونین تو رباتتون استفاده کنین رو بهتون معرفی میکنم.

اولین نوع باتری، باتری‌های قلیایی (Alkaline) یک‌بار مصرف هستن. این باتری‌ها ارزون هستن و تو هر فروشگاهی هم فروخته میشن. باتری های یک بار مصرف صرفاً مناسب تست‌های سریع و اولیه هستن چون که غیرقابل شارژن، ظرفیت کمی نسبت به وزنشون دارن و تو طولانی مدت هم چون پشت سر هم باید تعویض بشن و دور انداخته بشن، هزینه نهایی ربات رو بالا میبرن. این نوع باتری‌ها صرفاً برای مدار‌های موقتی یا تست موقت یه مدار توصیه میشن.(تصویر سمت راست)

نوع دوم باتری‌ها، باتری‌های NiMH (نیکل-متال-هیدرید) هستن. این باتری‌ها قابل شارژن، ایمن هستن، قیمتشون مناسبه و با محیط زیست هم سازگازترن. اما به خاطر داشتن وزن نسبتاً زیاد و دشارژ خود به‌ خودی بالا(زمانی که ازش استفاده نشه کم کم شارژش تخلیه میشه)، بیشتر مناسب ربات‌های آموزشی هستن و اون هم برای جایگزینی به جای باتری‌های یکبار مصرف.(تصویر سمت چپ)

نوع دیگه، باتری لیتیوم-یون (Lithium-ion) هست. این نوع باتری، قابل شارژه. تو این باتری، یون‌های لیتیوم، زمان شارژ و دشارژ، بین الکترود مثبت (کاتد) و الکترود منفی (آند) جابه‌جا می‌شن. این نوع باتری تو بیشتر دستگاه‌های قابل حمل مثل موبایل، لپ‌تاپ، خودروهای برقی و ربات‌ها استفاده میشن. این باتری‌ها حدود 3.7 ولت، ولتاژ نامی دارن و ظرفیتشون هم می‌تونه از 500 میلی آمپر تا 5.000 میلی آمپر ساعت متغیر باشه. تو ربات‌ها معمولاً چندتا سلول از باتری، به‌ صورت سری و موازی، ترکیب می‌شن تا ولتاژ و ظرفیت مورد نیاز تأمین بشه. مثلاً تو پک 2 سلولی، حدود 7.4 ولت و تو پک سه سلولی حدود 11.1 ولت ولتاژ از این باتری گرفته میشه. این باتری با وجود وزن و حجم کمش، انرژی زیادی رو تامین می‌کنه، می‌تونه یه ولتاژ ایمن و بدون تغییرات ناگهانی به مدار بده که این ویژگی باعث مناسب بودنش برای مدار‌های حساسه. میزان دشارژ کمی داره، یعنی اگه ازش استفاده نشه، می‌تونه مدت زیادی شارژ خودش رو نگه داره. طول عمر بالایی داره و بین 3.000 تا 5.000 بار قابل شارژه(اگه هر روز شارژ کنین بین 8 تا 13 سال عمر میکنه). اثر حافظه‌ای(Memory Effect) هم نداره که باعث بشه برای استفاده نیاز به شارژ کامل داشته باشه. در مقابل، این باتری حساس به دما هست و تو دمای بالا یا پایین عملکرد ضعیفی داره. در صورت شارژ یا دشارژ نادرست، ممکنه بسوزه یا منفجر بشه، برای حل این مسئله و جلوگیری از شارژ و دشارژ بیش از حد، حتماً باید از مدار محافظ(BMS) استفاده بشه. و نهایتاً هم استفاده از این باتری نسبت به NiMH یا سرب-اسید، هزینه بالاتری داره.(تصویر سمت راست).

باتری بعدی، باتری لیتیوم-پلیمر (Lithium-Polymer) یا به اختصار Li-Po، هست که نمونه پیشرفته‌تر باتری‌های لیتیوم-یون محسوب میشه. باتری Li-Po از نوع باتری‌های لیتیومی قابل شارژه که به‌ جای الکترولیت مایع (مثل Li-ion)، از الکترولیت پلیمری یا ژلی‌شکل استفاده می‌کنه. این ساختار باعث می‌شه، سلول‌های سبک‌تر، نازک‌تر و قابل‌انعطاف‌تری از باتری ساخته بشن. هر سلول این باتری، حدود 3.7 ولت الکتریسیته داره. این باتری در عین سبکی می‌تونه تو یه لحظه، جریان زیادی رو برای مدار تامین کنه. این ویژگی باعث میشه باتری لیتیوم پلیمر گزینه خوبی برای ربات‌های پرسرعت یا پهپادها باشه. به علت انعطاف‌پذیر بودن این باتری میشه اون رو تو اشکال و ابعاد مختلفی ساخت که همین ویژگی می‌تونه باعث جادادن این باتری تو هر جایی از ربات بشه. موقع انتخاب این باتری چند تا چیز باید رعایت بشه. اول این که این باتری به شارژ زیاد و دما حساسه و اگه درست شارژ نشه باد می‌کنه و ممکنه باعث آتیش سوزی و یا انفجار بشه. به همین دلیل باید از شارژر مخصوص خودش استفاده بشه. در ضمن عمر مفید این باتری کمه(300 تا 500 بار شارژ)، که برای پروژه‌های با تعداد دفعات شارژ بالا اصلاً توصیه نمیشه.(تصویر سمت چپ).

باتری بعدی باتری اسیدی (Lead-Acid) یا سرب اسید هست. این باتری از قدیمی‌ترین و پر مصرف‌ترین نوع باتری تو صنایع مختلف هست. باتری اسیدی درواقع، ترکیبی از صفحات سرب و محلول اسید سولفوریکه (H₂SO₄). تو این باتری واکنش‌های شیمیایی به انرژی الکتریکی مورد نیاز تبدیل میشن. تو این باتری از دی‌اکسید سرب (PbO₂) به عنوان الکترود مثبت و سرب خالص (Pb) به عنوان الکترود منفی استفاده میشه. بین این الکترود‌ها رو هم با اسید سولفوریک رقیق شده پر می‌کنن. باتری‌های اسیدی هم مثل سایر باتری‌ها، اکثراً چند سلولی هستن. هر سلول این باتری 2 ولت برق تولید می‌کنه. بیشتر نمونه‌های تو بازار بین 6 تا 12 سلول دارن، در نتیجه میتونن 12 ولت تا 24 ولت برق رو به مدار ربات برسونن. باتری‌های اسیدی دو نوع دارن، نوع اول باتری اسیدی خیس (Flooded) و نوع دوم هم باتری اسیدی خشکه (Sealed). باتری اسیدی خیس، الکترولیت مایع داره، نیاز به دقت در نگهداری داره و ممکنه نشتی بده. از این نوع باتری اسیدی بیشتر تو خودرو‌ها و سیستم‌های قدیمی استفاده میشه. نکته مهمی که وجود داره اینه که، نوع خیس این باتری اصلاً مناسب ربات نیست. باتری اسیدی خشک که در مقابل نوع خیس قرار می‌گیره، مناسب رباته، نشتی نداره، نیاز به نگهداری خاصی نداره و مهم‌تر از همه میشه تو هر زاویه‌ای نصبش کرد. باتری اسیدی تو ظرفیت‌های متفاوتی تولید میشه. نکته مهم درباره ظرفیت این باتری‌ها اینه که، تو جریان‌های بالا (زمانی که ربات تحت فشار زیادیه و برق بیشتری از حد معمول رو از باتری مصرف می‌کنه)، ظرفیت واقعی باتری کمتر از میزان استاندار باتری میشه. این نوع باتری چون توانایی جریان‌دهی بالا در عین حال پایداری تو این جریان رو داره، مناسب موتور‌های DC، ربات‌هایی که وزن سنگین دارن و یا حمل‌کننده وزن سنگین هستن هست. ویژگی مثبت دیگه این باتری‌ها اینه که تو بار سنگین افت ولتاژ کمتری نسبت به بقیه باتری‌ها دارن. مسئله مهمی که تو انتخاب این باتری باید در نظر گرفته بشه، وزن سنگین این باتری‌هاست. باتری اسیدی خیلی سنگینه. مثلا یه باتری اسیدی 12 ولت 7 آمپر ساعتی، بین 2 کیلوگرم تا 2.5 کیلوگرم وزن داره. نحوه شارژ کردن این باتری‌ها هم مهمه. این باتری‌ها باید با ولتاژ ثابت و جریان محدود شارژ بشن و بهتره که قبل از نصف شدن شارژ باتری، به شارژر وصل بشن. برای باتری اسیدی 12 ولت بهتره از شارژر در حدود 13.8 ولت تا 14.5 ولت استفاده بشه. این باتری‌ها میتونن بین 300 تا 500 بار شارژ بشن.

تا اینجا می‌تونیم بفهمیم که این نوع باتری بر‌اساس ویژگی‌هایی که داره مناسب ربات‌های بزرگ، صنعتی، ربات های حامل بار و پروژه های ثابت یا نیمه متحرکه. از طرف دیگه برای ربات‌های سبک ، سرعتی و ربات‌های باتری محور که فاصله شارژشون از هم زیاده کاملاً نامناسبه.(تصویر سمت راست).

باتری آخر هم باتری لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) هست. این باتری یکی از ایمن‌ترین و پایدارترین عضو خانواده‌ باتری‌های لیتیومیه که به‌جای استفاده از کبالت یا منگنز تو ساختار کاتُد، از آهن و فسفات استفاده می‌کنه. آنُد این باتری از گرافیت یا همون کربن ساخته میشه و الکترولیتش هم نمک لیتیومه. ساختار فسفاتی این باتری باعث میشه که در برابر داغ‌شدن و آتش‌سوزی، خیلی مقاوم‌تر از انواع لیتیوم پلیمر و لیتیوم یون باشه. این باتری، هم به صورت تک سلولی و هم به صورت چند سلولی وجود داره. هر سلول این باتری حدود 3.2 ولت، ولتاژ داره. البته، پک‌های موجود تو بازار 4 سلولی (12.8 ولت)، 8 سلولی (25.6 ولت) و 12 سلولی (38.4 ولت) هستن. نمونه 4 سلولی این باتری میتونه جایگزین مناسبی برای باتری‌های اسیدی باشه. ظرفیت واقعی این نوع باتری بر خلاف باتری‌های اسیدی تو جریان‌های بالا تقریباً حفظ میشه و در حین مصرف، افت ولتاژ کمی داره. این باتری سبک‌تر از باتری اسیدی و سنگین‌تر از باتری‌های لیتیوم پلیمر و لیتیوم یون هست. برای مثال نمونه 12.8 ولت 10 آمپر ساعتی این باتری بین 1.3 کیلوگرم تا 1.5 کیلوگرم وزن داره. تنها ایراداتی که میشه از این باتری گرفت، قیمت بالا نسبت به نمونه مشابه اسیدی و نیاز داشتن به BMS مخصوصه. طول عمر این باتری بین 2000 بار تا 5000 بار شارژه که این باتری رو کاملاً مناسب ربات‌های باتری‌محور می‌کنه. برای شارژ کردن این باتری باید از شارژر مخصوصش استفاده کرد. هر سلول این باتری برای شارژ شدن به حدود 3.6 ولت برق نیاز داره که این عدد برای پک 4 سلولی، حدود 14.5 ولت هست.

بر اساس چیزایی که گفتم، میشه از این باتری تو ساختن ربات‌های حرفه‌ای، ربات‌های صنعتی و نیمه‌صنعتی، ربات‌های حمل بار و پروژه‌های با استفاده طولانی مدت از باتری استفاده کرد. البته برای استفاده تو ربات‌های خیلی سبک، ربات‌های سرعتی و یا مسابقه‌ای اصلاً پیشنهاد نمیشه.(تصویر سمت چپ).