Bei der allgegenwärtigen Batterie CR2032 handelt es sich um eine münzförmige 3-Volt-Lithium-Ionenbatterie. Diese Batterien haben einen Durchmesser von 20 mm und eine Stärke von 3,1 mm, mit geringen Variationen. Batterien des Typs CR2032, oft auch als CMOS-Batterien oder Knopfzellen bezeichnet, finden häufig in Low-Power-Anwendungen wie dem BIOS eines Computers oder Echtzeituhren Einsatz.
CR2032 ist eine internationale elektrochemische Bezeichnung (IEC). Die gleichen Batterien werden vom American National Standards Institute (ANSI) und dem National Electronic Distributors Association (NEDA) als 5004LC bezeichnet. Eigentlich handelt es sich bei den Baterien des Typs CR2032 um eine Lithium-Mangandioxid-Zelle (LiMn02). Sie besteht aus einer Mn02-Kathode und einer Lithium-Anode. Das Gerät ist für 225 Milliampstunden (mAh) ausgelegt und funktioniert in der Regel in einem Temperaturbereich von –20 ºC bis +70 ºC. Die Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie BR2032/5004LB bietet ähnliche Eigenschaften.
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Der Aufbau einer typischen CR2032 Batterie umfasst ein Gehäuse aus Edelstahl, um das Austreten des nichtkorrosiven Elektrolyts zu verhindern. Die langsame Selbstentladerate ermöglicht eine lange Lagerung von LiMn02-Batterien. Diese Batterien können über Jahre gelagert werden und verlieren dabei nur einen sehr geringen Prozentsatz ihrer Ausgangsladung.
Abbildung 1: Aufbau einer CR2032-Knopfzelle. (Quelle: Varta)
CR2032 Batterien werden häufig für den Betrieb von Ultra-Low-Power-Untersystemen wie Echtzeituhren und Oszillatoren verwendet, die auch dann funktionieren müssen, wenn die Stromversorgung des Gesamtsystems ausgeschaltet ist. Zudem darf die Einheit bei eingeschaltetem Gerät keine Energie aus der Batterie CR2032 beziehen, und Untersysteme wie RTCs werden bei eingeschaltetem Gerät über die Hauptstromversorgung der Einheit angetrieben. Daher wird das Gerät in der Praxis meist aufgrund von Überalterung o.ä. aus dem Betrieb gezogen, bevor die CR2032 Batterie leer ist.
Wiederaufladbare LIR2032 Batterien
In manchen Fällen werden Knopfzellen als Hauptstromquelle verwendet. Obwohl es sich hierbei im Allgemeinen um Anwendungen handelt, die sehr wenig Strom erfordern, muss die Lebensdauer der Anwendung für lang genug erachtet werden, um eine CR2032 Batterie in dieser Zeit zu leeren. Ist dies der Fall, hat der Nutzer die Möglichkeit, als wiederaufladbare Alternative das Modell LIR2032 zu verwenden. Wichtig: CR2032 Batterien sind nicht wiederaufladbar.
Wie lange halten diese Batterien?
Die einfachste Art, die Batterielebensdauer zu messen, besteht darin, die Gesamtladung in Milliamperestunden (mAh) zu messen und sie durch den aktuellen Verbrauch zu teilen.
Batterielebensdauer = 225 mAh/aktueller Verbrauch
In einer Anwendung, die konstant höchstens 1 mAh benötigt, beträgt das Ergebnis über 10 Jahre. Dies könnte stimmen, wenn die Batterie ein Computer-BIOS mit Strom versorgt, aber in den meisten Fällen muss die Batterie mehr Strom bereitstellen (kontinuierlich oder impulsweise).
Abbildung 2: Die Kapazität einer CR2032 Batterie im Vergleich mit der kontinuierlichen Stromnachfrage. (Quelle: Low-Power Design)
Hier sehen wir, dass die Ausgangsspannung einer CR2032 Batterie, die kontinuierlich 0,5 mA (500 Mikroampere) bereitstellen muss, nicht auf 1,6 Volt sinkt, bevor sie nicht 240 mAh bereitgestellt hat. Muss sie hingegen 3,0 mA bereitstellen, kann sie nur 155 mAh bieten. Dies zeigt erstens, dass die Batterie nur 0,5/3,0 (also lediglich 17 % der erwarteten Lebensdauer) halten wird, und zweitens, dass bei der höheren Belastung eine unerwartete Reduzierung (155/240) auftritt. Natürlich gilt: Wenn eine Schaltung mindestens 2,0 oder 2,4 Volt benötigt, führt die Zusatzbelastung zu einer noch stärkeren Reduzierung der nutzbaren Batterieleistung.
Wenn die CR2032 Batterie Impulsstrom bereitstellen muss, führt dies ebenfalls zu einer Reduzierung des Optimalwerts von 225 mAh. Dies kann für Bluetooth-fähige Geräte ein großes Problem darstellen. Entwickler müssen dieses Problem und seine Auswirkungen stets beachten.
Andererseits sind CMOS-Baterien sehr widerstandsfähig gegen Temperaturschwankungen. Das Panasonic-Modell CR-2032L/BN ist bei Arrow Electronics erhältlich. Das Datenblatt dieser Batterie zeigt, dass dieses Gerät nur knapp 2,9 g wiegt, was typisch für CR2032-Batterien ist. Die Betriebstemperatur beträgt -30 ºC bis +60 ºC.
Abbildung 3: Temperatureigenschaften der Panasonic-Batterie CR-2032L/BN. (Quelle: Panasonic)
Das Diagramm oben zeigt eine kontinuierliche Stromaufnahme von 190 Mikroampere. Hier wird ersichtlich, dass die Lebensdauer des Geräts im Großteil des Betriebstemperaturbereichs von -10 ºC bis +60 ºC mindestens identisch ist, bevor die Ausgabespannung von 3 V auf 2 V sinkt.
Einbau einer CR2032
Batterie
Das Löten einer CR2032 Batterie auf eine Leiterplatte ist problematisch, da die entstehenden Temperaturen für die Batterie zu hoch sind. Es muss beachtet werden, dass jede überhitzte Lithium-Ionen-Batterie ein sehr hohes Explosionsrisiko darstellt. Aus diesem Grund bieten die Hersteller Knopfzellen mit Lötfahnen an, damit die Batterie nicht direkt der Hitze ausgesetzt ist.
Die Alternative besteht darin, einen Batteriehalter zu verwenden, doch dieser stellt natürlich Zusatzkosten für den OEM dar. Daher gilt: Wenn nicht abzusehen ist, dass die CR2032 Batterie während der Lebensdauer des Geräts ausgetauscht werden muss, vermeiden die Hersteller diesen Schritt häufig.
Die Top-5-Auswahlkriterien für CR2032 Batterien für Ihre nächste Entwicklung
1) Muss das fertige Produkt mit sehr geringer Stromaufnahme arbeiten?
2) Ist es wahrscheinlich, dass die Batterie während der Lebensdauer des Produkts ausgewechselt werden muss?
3) Benötigt das Produkt kontinuierlich, gelegentlich oder impulsmäßig Strom von der Batterie?
4) Verwenden Sie eine Halterung für die CR2032, oder wird sie auf eine Leiterplatte gelötet?
5) Benötigt die zu entwickelnde Einheit eine Alarmfunktion oder ein Zeiterfassungssystem, das kontinuierlich läuft (auch dann, wenn der Rest der Einheit ausgeschaltet ist)?
Neuheiten bei CR2032 Batterien
Es gibt wahrscheinlich kein anderes Feld der Technik, in dem unter Einsatz massiver Mittel so intensiv geforscht wird wie in dem der Lithium-Ionen-Batterien. Die erzielten Verbesserungen werden zweifellos zu CR2032 Batterien mit höherer Leistung führen.