NiCd ve NiMH piller

Bugün hobi amaçlı kullandığımız uzaktan kumandalı araçlarda LiPo (Lithium Polymer) pillerin yayılması ile birlikte, kullanım alanları daralan, kendilerine verici ve alıcı ünitelerin beslenmesi aşamasında ihtiyaç duyduğumuz NiCd (Nickel Cadmium) ve NiMH piller (Nickel-Metal Hydride) hakkında bilgilerimiz tazelemek amacıyla bu yazıyı derlemeye başladım.

NiCd piller genelikle AA boy diye adlandırılan standart çinko karbon yada alkalin kalem pil ebadında üretilirler. Kalem piller 1.5V akım verirlerken NiCd piller 1.2V akım verirler. NiCd pillerin özelliği defalarca doldurulup boşaltılabilir olmasıdır. Bu doldurma boşaltma miktarı, kullanıma göre değişir. NiCd piller 2-3 defa şarj/deşarj (çevirim) işleminden sonra bozulabildiği gibi 500 çevirim sonra hala verimli olarak çalışabilirlerde. Burada önemli olan faktör şarjın ne şekilde yapıldığıdır. Bu pillerin şarjı konusuna daha sonra değineceğiz. NiCd pillerin en önemli özelliği hafıza etkisidir. Hafıza etkisi tam olarak deşarj olmamış bir pili tekrar şarj ettiğinizde, şarj öncesi pilde kalan kapasite sonraki kullanımlarda göz ardı edilir. Bunun da detaylarını sonraya bırakalım.
NiCd piller boyutları ile orantılı olarak kapasiteye sahiptirler. Kapasite bir pilden bir saat boyunca çekilebilecek akımı ifade eder. Yani 600mAh  kapasiteli bir pilden bir saat boyunca sürekli olarak 600mAh akım çekildiğinde bir saatin sonunda pil boşalır. Aynı pilden 1200mAh akım çekilirse pilin boşalma süresi yarım saate iner. 60mAh akım çekildiğinde ise bu süre 10 saate çıkar. Tabiki bu veriler teorik verilerdir. Özellikle yüksek akım çekiminde dayanma süresi teorik süreden daha kısa olabilir.

NiCd piller için 1.2V akım verirler demiştik. Tam dolu bir pil 1.45V değerine kadar çıkabilir. Pil bittiğinde ise yaklaşık 1V değerine sahip olur.

Pillere tek olarak değil paketler halinde ihtiyacımız olur. Alıcıları beslemek için 4 yada 5’li pil paketleri tercih edilir. 4’lü pil paketinden 4x1,2=4.6V 5’li pil paketinden ise 5x1.2=6V akım elde edilir. Piller yeni şarj edilmişken ilk kullanımda 4’lü paket için alınacak akım 4x1.45=5.8V 5’li paket için ise 5x1.45=7.25V akım değeri alınabilir. Tabiki bu değerler çekilen akım miktarına göre değişiklik göstermekle birlikte 2 dk. İle 1 saat arasında normal akım değerlerine düşer.
Pil paketleri oluşturulurken aynı kapasitede piller tercih edilmelidir. Aksi durumda paket içindeki düşük kapasiteli pilleriniz kullanılamaz hale gelir. Pil paketlerini hazır almanızda büyük fayda var. Paket içerisinde bulunan hücrelerin birbirleriyle olan bağlantısının punto kaynağı ile yapılması gerekir. Fabrika koşullarında yapılan punto kaynakları kalite kontrol sürecinden geçirildiği için daha güvenilir olarak kabul edilebilir. Kendiniz pil gurubu oluşturmaya kalkmayınız. Özelikle ara bağlantıları yapmak için ısı ile uygulanan lehim tekniklerinden kaçınmanız gerekir.
NiCd pillerin şarjı için öncelikle kaliteli bir şarj cihazı tavsiye ediyorum. Nedenini yazının ilerleyen bölümlerinde belirteceğim.
Bu tip piller kapasite ve şarj akımı ile orantılı olarak dolum süresine sahiptirler. Şarj süresi şu basit formülle hesaplanabilir.
(Kapasite/Şarj Akımı) x 1.4 = Şarj Süresi
Örnek olarak elimizde 600mAh’lık bir pil gurubu olduğunu düşünürsek, bu pil grubunu 60mAh ile şarj etmeye kalktığımızda,
(600/60)x1.4= 14 saat değerini alırız.

Tabiki bu formül teoriktir. Bu değer pilin tamamen boş olduğu düşünülerek hesaplanmıştır. Şarj süresi pilin durumu ile bağlantılıdır. Yazının başında belirttiğim hafıza etkisi bunun en büyük sebebidir. NiCd piller tam olarak deşarj olmadan tekrar şarj edilirlerse, şarj öncesi pilde kalan kapasite göz ardı edilir. Bir anlamda pil şarja başladığınız andaki olan miktarı sıfırı olarak kabul eder. Bunun nedeni pilin kimyasal özelliği nedeniyle kutuplarda meydana gelen kristal tanecikleridir. Ancak şunun belirmek gerekir. Bu durum üst üste tekrarlanan yarım deşarj/şarj işlemi ile gerçekleşir. Kaç defa yarım deşarj/şarj yaparsam hafıza etkisi oluşur diye soracaksınız. Bu tamamen pilinizin kalitesi ile bağlantılıdır. Kimi pillerde 1-2 işlemde hafıza etkisi oluşurken, kimi pillerde bu durum daha uzun sürede ortaya çıkmaktadır. Bu durumdan kaçınmak için hücrelerin her biri 1V oluncaya kadar deşarj işlemi yapılmalıdır. Ama kesinlikle bu pillerde hücre başına gerilim 0.9V un altına düşürülmemelidir.

Tekrar dönelim şarj işlemine. Kullandığımız pilin uzun süre hizmet edebilmesi için mümkün olduğu kadar düşük kapasite ile şarj edilmesi gerekir. Peki ne kadarlık bir akımla doldurma işlemi yapılmadır?
Bu konuda genel kabul görmüş akım miktarı 1/10C olarak ifade edilir. Buradaki “C” kavramı pilin kapasitesini ifade eder. Yani 600mAh kapasiteli bir pilin uygun şarj akımını bulmak için, kapasiteyi 10 a bölmemiz yeterlidir. Bu durumda konu mankeni olan 600mAh lik pil gurubunuz için ideal şarj akım miktarı 600/10=60mAh olarak ifade edilir.
Peki bu pilleri daha yüksek akım ile şarj edemezmiyiz? Elbette edebiliriz. Daha yüksek akım ile daha kısa süre sürede bu pilleri şarj etmek mümkündür. Ama bu yüksek akımla şarj etmenin zararlarını ve risklerini göze almak kaydıyla.

1/10C akımın üzerindeki şarj işlemlerini dikkatle takip etmek gerekir. Çünkü NiCd piller dolduktan sonra şarj hala devam ettirilmeye çalışılırsa, pillerde ısınma başlar. Isınma ile birlikte pillerin içerinde gaz oluşmaya başlar. İçeride oluşan gazın yarattığı basınç, pilin patlamasına neden olur. Meydana gelecek olan patlama ciddi yaralanmalara yol açabilir. Yüksek ısı sonucu pil patlamasa bile bir daha kullanılamayacak duruma gelebilir.

Bu tip pillerin şarjı esnasında dikkate alınması gereken hususları sıralarsak;
1-   Şarj akımı sabit olmalıdır. Şarj esnasında akım değişmemelidir.
2-   Şarj süresi verilen akımla orantılı olarak takip edilmelidir.
3-   Şarj esnasında pilin ısısı kontrol edilmelidir.
Tam işte bu noktada şarj cihazının önemi ortaya çıkıyor. Bilgisayarlı bir şarj cihazı edinmeniz, sizi bir çok sıkıntıdan korur. Yeni nesil şarj cihazları sabit akım verebilme yetenekleri dışında birden fazla kontrol imkanı ile riski en aza düşürmektedirler. Bu tip cihazlarda şarj süresi, kapasite kontrolü, ısı kontrolü gibi güvenlik önlemlerinin dışında otomatik deşarj/şarj modu ile de pil ömrünü  uzatma imkanı sağlar.
NiCd piller, kendisinden sonra icad edilmiş olan NiMH pillere oranla daha düşük kapasitelere sahiptirler. Ama bunun yanı sıra anlık yüksek akım taleplerine daha istikrarlı cevap verirler. NiCd pillerin bir diğer avantajı ise depolanma esnasında kapasitelerin daha iyi korurlar.
NiCd piller için geçerli olan bir çok bilgi , NiMH pilleri içinde geçerlidir. Her iki pil tipide gerçek kapasitelerine 3-4 deşarj/şarj işleminden sonra ulaşırlar. NiMh piller ile NiCd piller arasındaki farklılıklar, en başta kapasite farkıdır. Bu tip piller daha yüksek kapasitelerde üretilebilmektedirler. Bir başka unsur ise NiMH pillerde hafıza etkisi olmamasıdır. Bu bakımdan daha uzun süre kullanıma müsaade ederler. Dezavantajları ise, anlık yüksek akım taleplerinde voltaj düşmesi ile tepki verirler.

Bunu biraz açıklamak gerekirse, şarj edipte bir süre kullandığınız alıcı pilinizle uçuşa gittiniz. Sahaya ulaştınız ve gerekli hazırlıklarınızı yaptınız. Uçağı kaldırmadan önce uçağınıza taktığınız Voltwatch cihazınız ile alıcı piliniz kontrol ettiniz. 2500mAh’lik pilin yarısı dolu gözüküyor. Uçağı kaldırdınız. Elevator servosu çalışırken aynı anda rudder ve aileron komutları verdiniz ve bir anda uçağınızın komut almadığını gördünüz… Bunun sebebi alıcı pilinizin bağlı olduğu NiMH pil olabilir. Oysaki kalkıştan önce voltwatch’u kontrol etmiştiniz…
Yarım dolu olarak gözüken NiMH pilden bir anda yüksek akım çekilmek istendiğinde, pil ani olarak voltaj kaybı yaşar. Bu da servolara ve hatta alıcıya yeterli akımın ulaşmamasına neden olur. Özellikle yüksek akım çeken Çin malı servo kullanırken NiMH pilinizin mümkün olduğu kadar dolu olduğundan emin olun. NiCd pillerde ise bu sorun yaşanmaz.
NiMH pillerin bir başka dezavantajı ise, depolanma sırasında NiCd pillere oranla 2 kat hızlı deşarj olmalarıdır. Bu tip piller kullanılmasalar dahi hızlı bir şekilde durdukları yerde boşalabilirler.
Konuyu toparlamak gerekirse, her iki tip pilinde hem avantajı, hem de dezavantajı var.

NiCd piller, düşük kapasiteli, hafıza etkisine sahip pillerdir. Ama bunun yanı sıra anlık yüksek akım taleplerine daha istikrarlı cevap verirler ve uzun süre enerji kaybetmeden depolanabilirler.
NiMH piller ise hafıza etkisi olmayan, daha yüksek kapasiteye sahip pillerdir. Ama anlık yüksek akım taleplerinde voltaj kaybı yaşarlar ve depolanma anında daha hızlı enerji kaybederler.