Každý stroj potřebuje zdroj energie, nejrůznější pokusné roboty nevyjímaje. Omezíme-li se na mobilní zařízení, tedy taková, která mají možnost se pohybovat a nejsou připojena k základně kabelem nebo třeba tlakovými hadicemi, musíme už v počátku konstrukce zvažovat, jaký zdroj energie zvolíme a co z toho plyne za omezení. Pro malé roboty budeme potřebovat v drtivé převaze elektrický zdroj.
Podstatné parametry
U zdroje nás asi bude jako první zajímat velikost napětí. Ty úplně nejmenší roboty (HexBug) se napájejí z knoflíkových článků 1,5 až 3 V, o něco větší zpravidla třemi nebo čtyřmi tužkovými články (4,5 – 6 V). Pro výkonnější stroje je oblíbené napětí 12 V, s vyšším se setkáme spíš jen ve speciálních případech. Druhým sledovaným parametrem je kapacita zdroje, která spolu s průměrným odběrem proudu určuje, jak dlouho bude naše zařízení schopno samostatně pracovat. Velmi důležitá je i „tvrdost“ respektive vnitřní odpor zdroje. Ten vyjadřuje, jak dalece poklesne jeho napětí při zatížení. To je podstatné zejména v případě, že zařízení je typicky v klidu s malým odběrem, ale na občasný pohyb potřebuje mnohem větší proud. Nesmíme zapomenout na rozměry a hmotnost zdroje, aby robot vůbec svou zásobu energie uvezl. Jako poslední si budeme všímat i ceny, protože sebelepší navržený způsob napájení je k ničemu, bude-li nás ve využití omezovat přílišná nákladnost.
Primární články
Známé „obyčejné“ baterie na jedno použití bez možnosti dobíjení jsou velmi snadno dostupné, prodávají se zejména ve velikostech AAA (mikrotužka), AA (tužkový článek), C (malý monočlánek) a D (velký monočlánek). V čerstvém stavu mají napětí 1,5 V, za vybité se považují při napětí kolem 0,8 V, takže jejich napětí se v průběhu činnosti značně mění. Ve standardním (zinko-uhlíkovém nebo zinko-chloridovém) provedení jsou vhodné především pro velmi malé odběry desítek až stovek mA, alkalické články poskytují podstatně tvrdší napětí a zvládnou odběr stovek mA (AAA) až asi po 2 A (velikost D).
Při nízkých teplotách primární články rychle ztrácí napětí i tvrdost. Součástí zdroje však nejsou jen samotné články, ale také pružinové pouzdro pro jejich uložení, a to může být příčinou velkých problémů. Na každý článek připadají 2 až 3 dotykové kontakty, které na vzduchu oxidují, pružiny mají také poměrně značný odpor. Výhodou primárních článků je to, že jsou připravené k použití hned po zakoupení a jsou běžně dostupné, největší nevýhody jejich velmi vysoká cena vzhledem ke kapacitě, kterou poskytují, a malý dostupný proud. Sada 4 zinko-chloridových článků (6 V / 1,1 Ah – Varta superlife) vyjde přibližně na 132 Kč, alkalické baterie (Varta high energy) nabídne kapacitu 2,8 Ah za cenu kolem 224 Kč. Primární články má smysl používat jen ve třech případech:
- Když je zařízení stále v činnosti a odebírá průběžně jen naprosto nepatrný proud, takže je alkalický článek zvládne napájet nejméně jeden rok (typicky hodiny)
- Když musí být zařízení stále připravené k činnosti a je využíváno jen zřídka vzhledem k době čekání a po velmi krátkou dobu (desetiny sekundy) – typicky dálkové ovládání televize
- Když má zařízení tak malou životnost, že jej napájecí primární článek přežije (typicky některá reklamní elektronika a sondy pro jednorázové použití)
NiCd a NiMH akumulátory
Tyto články mají nižší napětí než primární, typicky 1,2 V, těsně po nabití 1,3 až 1,4 V, za vybité se považují při napětí 0,8 V. Většinou platí, že zařízení navržené na primární baterie lze provozovat i na NiCd nebo NiMH. Po zakoupení se NiCd i NiMH (až na výjimky) jako všechny akumulátory musí nabít, což při standardním postupu (malém nabíjecím proudu) trvá 8 – 10 hodin. Uložením poměrně dost rychle ztrácejí kapacitu, měly by být nabíjeny krátce před použitím. Nejsou-li potřeba delší dobu, je vhodně je pravidelně zhruba po měsíci vybít a zase nabít. Není výjimkou, že po měsíci ztratí polovinu ze své kapacity, uložení v chladu samovybíjení mírně zpomaluje.
Tyto akumulátory se vyrábějí mimo jiné i v běžných velikostech primárních článků, jsou o něco těžší a bývají označeny přímo jmenovitou kapacitou. Obecně jsou podstatně tvrdší než primární články, ale také zpravidla platí, že mezi články stejné velikosti ten s větší kapacitou bude měkčí, takže ve výsledku může dodat méně energie. Proto je často výhodnější koupit kvalitní akumulátory s menší kapacitou než ty podle popisu „lepší“, které ale nebudeme moci plně využít, protože při zatížení neudrží napětí. Typická kapacita tužkových článků je 0,7 až 2,6 Ah, u velikosti D až 6 Ah.
Základní výhodou akumulátorů NiCd a NiMH je to, že je můžeme opakovaně nabít a použít, takže při mírně vyšší ceně než primární články odpovídající velikosti vychází proud z nich nesrovnatelně levněji, kromě toho jsou tvrdší. Vyžadují zkrátka trochu větší investici při pořízení, zatímco provoz pak náklady bohatě vrátí. Podle firemních údajů lze často akumulátory nabít třeba až 1000x, což je pravda, ale jen za ideálních podmínek. V reálné praxi vydrží tužkové NiCd obvykle do 100 nabití, NiMH trochu méně. Nezáleží jen na počtu cyklů, ale články také stárnou, zpravidla vydrží 2 – 3 roky, u levných a méně kvalitních dochází k poruchám o po kratší době. Parametry se postupně zhoršují, kapacita klesá a vnitřní odpor roste, až nás donutí je vyřadit.
Pružinové pouzdro většinou omezuje maximální proud, snese bez problémů asi 0,25 A, některé 0,5 A. Při proudu nad 1 A se velmi často stává, že plast kolem kontaktů teplem měkne a taví se. Pokud jsou články vzájemně spojeny pájenými můstky a také přívodní kabel je připájený, nebývá problém s odběrem 2 – 3 A u tužkových článků, u kvalitních „pohonných“ článků SC až 10 A. Speciálními nabíječi lze dobu nabíjení zkrátit asi na ½ hodiny.
„Přednabité“ akumulátory mají podstatně nižší samovybíjení, vydrží i rok skladování, celkově mají delší životnost. Pokud akumulátory ukládáme na delší dobu klidu, neměly by být plně nabité, necháme je nabité na 50-70%.
Obecně jsou NiCd a NiMH akumulátory relativně univerzální a nenáročné, hodí se tam, kde není příliš podstatná vyšší hmotnost zdroje, nevyžaduje se vysoký proud ani výkon.
NiFe akumulátory
Používají se v průmyslových aplikacích, například k pohonu vozíků, záložnímu napájení světel a telefonních ústředen. Články o jednotlivém napětí kolem 1,4 V mívají kapacitu desítek až stovek Ah. Jejich hlavní výhodou je dlouhá životnost jak z hlediska počtu cyklů, tak roků provozu, navíc snesou i hodně nešetrné zacházení. Obsahují kapalný elektrolyt s louhem draselným, nesmí se pokládat a otočit ventilem dolů. K amatérským konstrukcím se příliš nehodí s výjimkou stabilních samohybných podvozků velkých rozměrů a váhy.
… dokončení příště