تقنيات البطاريات

هناك العديد من التقنيات المختلفة التي تستخدم في صناعة البطاريات. وهناك العديد من المصادر الرائعة متاحة للتعرف على التركيب الكيميائي الدقيق للبطاريات. موسوعة ويكبيديا على سبيل المثال تقدم لك قائمة شاملة لأنواع البطاريات.

في هذ الدرس نركز على أنواع البطاريات الأكثر استخداماً في الأنظمة المدمجة (embedded systems) وفي الإلكترونيات التي نقوم بإعدادها بأنفسنا.

مواضيع مقترحة للقراءة

هناك بعض المعرفة والمفاهيم التي تحتاج إلى فهمها قبل الخوض في هذا الدرس:

• ما هي الكهرباء (Electricity)؟
• الجهد (Voltage)، التيار (Current)، المقاومة (Resistance)، وقانون أوم (Ohm’s Law)
• ما هي الدائرة الكهربية (Circuit)؟
• التيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC)

المصطلحات

فيما يلي نذكر بعض المصطلحات المستخدمة عند التعامل مع البطاريات:

السعة (capacity): تختلف البطاريات من حيث كمية الطاقة التي يمكن أن تختزنها. سعة البطارية هي كمية الطاقة التي تختزنها عندما تكون مشحونة بالكامل. عادة ما يتم تصنيف البطاريات من نفس النوع تبعاً لكمية التيار الذي يمكن أن تخرجه خلال زمن محدد. على سبيل المثال هناك بطاريات بسعة 1000mAh (1000 ميلي- أمبير في الساعة) وبطاريات بسعة 2000mAh.

الجهد الاسمي (nominal voltage): الجهد المتوسط الذي تخرجه البطارية عندما يتم شحنها. الجهد الإسمي للبطارية يعتمد على التفاعل الكيميائي الذي يجري بداخلها. بطارية السيارة التي تحتوي على حمض ومعدن الرصاص تُخرج 12V، بينما بطارية العملة (coin cell) المصنوعة من الليثيوم تُعطي 3V.

لاحظ استخدام اللفظ “اسمي”، حيث أن الجهد الفعلي المقاس للبطارية ينخفض بينما يتم تفريغها. بطارية ليثيوم بوليمر (LiPo battery) المشحونة بالكامل تُنتج جهداً مقداره 4.23V، وتقل قيمة ذلك الجهد إلى ما يقرب من 2.7V عندما يتم تفريغها.

الشكل (shape): تأتي البطاريات في أشكال وأحجام عديدة. مصطلح “AA” يشير إلى شكل وحجم معين من البطاريات. هناك تشكيلة كبيرة للغاية من البطاريات المختلفة الشكل.

البطاريات الأساسية (primary) والبطاريات الثانوية (secondary): البطاريات الأساسية هي التي يتم التخلص منها بعد استخدامها (disposable). عندما تُستنفذ البطاريات الأساسية لا يمكن إعادة شحنها مرة أخرى. والبطاريات الثانوية هي البطاريات التي يمكن إعادة شحنها (rechargeable)، وهي تحتاج لمصدر طاقة آخر لإعادة شحنها مرة أخرى، وهذه البطاريات يمكن شحنها وتفريغها عدة مرات خلال فترة حياتها. بشكل عام البطاريات الأساسية لها معدل تفريغ أقل من البطاريات الثانوية، لذلك فهي تدوم لوقت أطول، إلا أنها أقل فعالية من الناحية الاقتصادية من البطاريات القابلة للشحن.

كثافة الطاقة (energy density): يمكننا حساب كثافة الطاقة للبطارية من خلال الجمع بين سعة البطارية وحجمها وشكلها. التقنيات المختلفة للبطاريات ينتج عنها كثافة طاقة مختلفة، فعلى سبيل المثال بطاريات الليثيوم عادة ما تحتوي على مكونات أكثر في نفس الحجم مقارنة بالبطاريات القلوية أو بطاريات الساعة.

معدل التفريغ الداخلي (internal discharge rate): هل حاولت من قبل أن تقوم بتشغيل سيارة بقيت متوقفة لستة أشهر؟ يحدث تفريغ للبطاريات عندما تبقى مركونة أو بدون استخدام. معدل التفريغ الذاتي للبطارية مع مرور الوقت يُطلق عليه معدل التفريغ الداخلي.

الأمان (safety): تُعتبر البطاريات مواد متفجرة صغيرة لأنها تقوم في الأساس بتخزين الطاقة. لمنع أي ضرر يتم تصميم البطاريات بالشكل الذي يجعلها آمنة بأقصى قدر ممكن. فمعظم البطاريات يتم تصميمها بحيث يتم تفريغها بشكل آمن إذا تم استخدامها بشكل خاطئ. فمثلاً إذا قمت بتوصيل بطارية قلوية بشكل خاطئ فربما ترتفع درجة حرارتها ولكنها لن تشتعل. معظم بطاريات ليثيوم بوليمر تحتوي على دوائر أمان مدمجة بداخلها لمنع البطارية من التلف أو من الاستخدام الغير آمن.

للاطلاع على قائمة كاملة بالمصطلحات مع نظرة عامة على أنواع البطاريات يمكنك الاطلاع على موسوعة ويكبيديا.

بطاريات الليثيوم بوليمر (lithium polymer)

بطاريات الليثيوم بوليمر (عادة ما تُختصر بـ LiPo) مفيدة للغاية للاستخدام في الإلكترونيات المدمجة. فهي تقدم أعلى كثافة طاقة متوفرة للشراء من المتاجر. ولأنه في الغالب يتم استخدام ذلك النوع من البطاريات في الهواتف النقالة فإنه يمكن العثور عليها بأسعار مناسبة وفي المتناول. هذه البطاريات تتطلب طريقة خاصة للشحن، لذلك تأكد من استخدام الشاحن المناسب للقيام بذلك.

الجهد الاسمي

الجهد الاسمي لبطارية LiPo الواحدة هو 3.7V. عندما تكون البطارية مشحونة بشكل كامل نجد أن الجهد الخاص بها يقترب من 4.3V ولكنه سريعاً ما يقل إلى 3.7V في ظروف الاستخدام العادية، وعندما تُستنفذ البطارية تعطي جهداً بحدود 3V. هذا يعني أنه على مشروعك أن يتعامل مع قيم مختلفة من فرق الجهد إذا كان مُتصلاً بشكل مباشر ببطارية من هذا النوع. إذا كنت تحتاج لجهد بقيمة 5V فسيكون عليك توصيل بطاريتين LiPo معاً على التوالي للحصول على جهد بقيمة 7.4V ومن ثم تخفيضه باستخدام منظم جهد إلى 5V.

الوصلات

في عالم الإلكترونيات الصغيرة عادة ما تأتي بطاريات LiPo بأنواع مختلفة من الوصلات الطرفية ذات منفذين. الوصلات من نوع JST تمنع توصيل البطارية بشكل خاطئ. هذه الوصلة عبارة عن وصلة احتكاكية (friction fit) لذلك عادة ما يتم استخدام كماشة لكي يتم إزالة البطارية بشكل سلس.

الشحن (charging) والتفريغ (discharging)

هناك العديد من الشواحن منخفضة التكلفة يمكن استخدامها لشحن بطاريات LiPo. عادة ما يتم استخدام وصلة USB لشحن تلك البطاريات. لا تحاول مطلقاً شحن بطارية LiPo بدون استخدام شاحن. يمكن أن يسبب الشحن الزائد (overcharging) التلف لبطارية LiPo لذلك قم باستخدام الشاحن المخصص لها عند شحنها.

كذلك يمكن أن تتضرر بطاريات LiPo إذا تم تفريغها بشكل كبير للغاية، ولحمايتها من ذلك تُزود معظم بطاريات LiPo بدائرة أمان صغيرة مدمجة بداخل الجزء العلوي من البطارية لتقوم بإيقاف البطارية في حالة انخفاض الجهد أقل من قيمة معينة محددة سلفاً (في الغالب 3V).

تتميز بطاريات LiPo بامتلاكها لمعدل تفريغ داخلي منخفض للغاية، وهو ما يجعلها خياراً ناجعاً للمشاريع التي لها متطلبات منخفضة من الطاقة وتحتاج للعمل للعديد من الأيام أو الأشهر.

أما بخصوص كثافة الطاقة: تتسم هذه البطاريات بارتفاع كثافة الطاقة الخاصة بها وقوة الأداء، حيث يمكنها إنتاج تيار بشدة عدة أمبيرات بشكل مستمر. كما أنها بمزودة بحماية من القصر (short-circuit protection) حيث يتم إيقاف البطارية بمجرد حدوث قصر.

نحن ننصح باستخدام بطاريات LiPo لجميع التطبيقات المحمولة؛ فهي بطاريات قوية وعندما يتم استخدامها بشكل آمن تمثل مصدراً ممتازاً للطاقة.

بطاريات هيدريد النيكل ((NiMH) Nickel Metal Hydride)

بطاريات هيدريد النيكل (عادة ما يتم اختصارها NiMH) هي بطاريات قابلة للشحن وهي ذات كفاءة عالية. هذه البطاريات في الغالب أقل في التكلفة من البطاريات الأخرى ولكنه تعاني من انخفاض كثافة الطاقة بالمقارنة مع بطاريات LiPo. بطاريات NiMH في الأجهزة الإلكترونية منخفضة التكلفة مثل فرشاة الأسنان وماكينات الحلاقة اللاسلكية حيث لا يمثل جهد الخرج أهمية كبيرة (لاحظ أن فرشاة الأسنان قد تعمل بشكل أبطأ ولكن تستمر في العمل).

البطارية من هذا النوع لها جهد اسمي 1.2V، وهذا قريب للغاية من البطاريات القلوية ذات نفس الحجم التي لها جهد اسمي قيمته 1.5V. عن طريق توصيل اربعة بطاريات NiMH بحجم AA معاً نحصل على مصدر جهد 4.8V يكفي لتشغيل معظم الأنظمة العاملة بجهد 5V، ولكن سيحدث هبوط في الجهد بينما يتم استنفاذ البطاريات.

بسبب تشابهها مع البطاريات الاستهلاكية العادية، غالباً يتم شحن بطاريات NiMH باستخدام شواحن يتم توصيلها بمأخذ الكهرباء في الحائط.

نحن نوصي باستخدام بطاريات NiMH في الأجهزة التي تم تصميمها سلفاً لكي تعمل باستخدام بطاريات من نوع AA.

بطارية العملة (coin cell)

تعتبر بطاريات العملة رائعة في التطبيقات الصغيرة للغاية التي تتطلب قدراً ضئيلاً من الطاقة، كما أنها رخيصة الثمن ويمكنك شراءها بكميات كبيرة إذا كنت تحتاج إليها كثيراً. هذه البطاريات مناسبة للغاية لاختبار الديودات الضوئية (LED)، ويوجد هذا النوع من البطاريات بداخل أجهزة التحكم عن بعد والشموع الصناعية الكهربية وغير ذلك من الأجهزة الصغيرة.

هذه البطاريات بشكل عام لا يمكن إعادة شحنها ويتم التخلص منها بعد استخدامها، ولكن هناك بعض الأنواع الأكثر تعقيداً قابلة لإعادة الشحن.

التركيب الكيميائي لبطاريات العملة والتقنيات المستخدمة بداخلها يختلفان من نوع لآخر؛ فبعضها قلوي وبعضها الآخر مصنوع من الليثيوم. بطارية العملة القلوية لها جهد اسمي يُقدر بـ 1.5V، بينما يبلغ الجهد الاسمي لبطاريات العملة المصنوعة من الليثيوم 3V.

تأتي بطاريات العملة بأحجام مختلفة، وكل منها لها اسم كودي خاص يشير إلى حجمها وتركيبها الكيميائي. بطاريات العملة القلوية تبدأ بحرف “L”، بينما بطاريات العملة المصنوعة من الليثيوم تبدأ بحرف “C”. على سبيل المثال، بطارية العملة CR2032 شائعة الاستخدام هي بطارية ليثيوم (جهدها الاسمي 3V) وقطرها بطول 20 مليميتر وارتفاعها 3.2 مليمتر. بينما بطارية العملة LR1154 (aka LR44) هي عبارة عن بطارية قلوية (1.5V) قطرها 11مليمتر وارتفاعها 5.4 مليمتر.

بطاريات العملة رائعة لتوصيل الطاقة للتطبيقات والمشاريع الصغيرة والمتحكمات الدقيقة والديودات الضوئية.

البطاريات القلوية (Alkaline)

جميعنا نشأ في صغره على استخدام هذا النوع من البطاريات التي يمكن استخدامها مرة واحدة. هذه البطاريات تُستخدم بكثرة منذ عقود لذلك تجدها حولك في كل مكان. هناك أيضاً العديد من الحافظات والملحقات الخاصة بالبطاريات بحجم AA وبطاريات 9V.

هذه البطاريات رخيصة الثمن وسهلة الاستخدام ومتوفرة في كل مكان، ولكنها للأسف غير قابلة لإعادة الشحن. التركيب الكيميائي القلوي لهذه البطاريات يجعل منها آمنة للاستخدام.

بطاريات AA وAAA هي أكثر أشكال البطاريات القلوية شيوعاً وجهدها الإسمي 1.2V (لكنها تعطي جهد حوالي 1.5V عند استخدامها لأول مرة). نظراً لأن بطاريات AA تعطي جهد بقيمة 1.2V فستحتاج لاستخدام مجموعة مكونة من ثلاث أو أربع بطاريات لتوصيل الطاقة إلى نظام يعمل بجهد 3.3V أو 5V.

بطاريات 9V لها جهد اسمي قيمته 9V كما يبدو من اسمها.

بطارية 9V مع كابل توصيل يمثلان طريقة رائعة لتجعل أي مشروع قابل للتنقل والحمل، لكن لا تنتظر أن تدوم هذه البطارية طويلاًّ؛ فبينما جهدها الإسمي هو 9V، إلا أن سعة هذه البطارية ضئيلة إلى حد ما.

في المعتاد نقوم باستخدام هذا الأنواع من البطاريات مع المبتدئين؛ حيث يشعرون بالراحة في استخدامها كما أنه يمكن إيجادها بسهولة، وإذا تم توصيلها بشكل خاطئ ترتفع درجة حرارتها، ولكن الضرر الحادث يكون طفيفاً.

بمجرد أن يتجاوز الطالب مرحلة الأساسيات ينتقل إلى استخدام بطاريات LiPo لأنها تدوم لوقت أطول بالإضافة إلى إمكانية إعادة شحنها.

المصادر والمضي قدماً

الآن بعد أن أصبحت على علم بالعديد من تقنيات البطاريات عليك أن تقرأ هذه الدروس والمشاريع الإضافية (سيتم إضافتها قريباً إن شاء الله):

• كيف أزود مشروعي بالطاقة؟ (How Do I Power My Project?): تمثل البطاريات مصدراً رائعاً للطاقة، ولكن أحياناً يكون استخدام مزودات الطاقة أفضل.
• أساسيات الوصلات (Connector Basics): أنت بحاجة للقيام لتوصيل البطاريات بطريقة ما، وهناك العديد من أنواع الوصلات المختلفة. وصلة JST مفيدة بشكل خاص عند التعامل مع البطاريات.
• كيفية استخدام المقياس المتعدد (المالتيميتر) (How to Use a Multimeter): يُعتبر المالتيميتر أهم أداة يستخدمها محترف الإلكترونيات. فمن خلاله يمكن قياس الجهد أو التيار أو المقاومة والعديد من الأشياء الأخرى.

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)