Knopfzellen

Die Echtzeituhr auf dem Mainboard, der Autoschlüssel, die Personenwaage, der Funk-Türsensor, die Armbanduhr, das Hörgerät: Überall stecken flache, runde Zellen, die kaum größer als eine Münze sind. Knopfzellen speichern wenig Energie, sind aber klein, leicht und halten in Geräten mit winzigem Strom viele Jahre. Wer sie in eine eigene Schaltung einplant, muss vor allem eines wissen: Sie liefern Mikroampere gern, Milliampere nur widerwillig.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Knopfzelle besteht aus zwei ineinandergepressten Metallschalen. Der größere Becher umfasst den Rand und ist der Pluspol, der kleinere Deckel in der Mitte der Unterseite ist der Minuspol. Ein Kunststoffring dichtet beide gegeneinander ab und isoliert sie. Innen liegen die beiden Elektroden als flache Tabletten übereinander, dazwischen ein Separator mit dem Elektrolyten.

Welche Chemie in der Zelle steckt, verrät der erste Buchstabe der IEC-Bezeichnung. Die Reaktionen selbst erklärt Primärelemente, das Prinzip dahinter galvanische Elemente. Für dich als Entwickler zählen die elektrischen Unterschiede:

Die Lithium-Zellen sind das, was du auf Platinen am häufigsten findest. Die Bezeichnung nennt dabei auch die Maße: CR2032 heißt 20 mm Durchmesser und 3,2 mm Höhe. Den kompletten Typenschlüssel und eine Größentabelle findest du unter Batteriegrößen im Vergleich.

Zink-Luft-Zellen sind ein Sonderfall: Sie holen den Sauerstoff für die Reaktion durch kleine Löcher aus der Umgebung und sind deshalb mit einer Klebelasche verschlossen. Nach dem Abziehen leben sie nur wenige Wochen, egal ob du sie nutzt. Die Farbe der Lasche zeigt die Hörgerätegröße: Gelb (10), Braun (312), Orange (13), Blau (675).

Schaltzeichen

Eine Knopfzelle zeichnest du wie jede andere Zelle: langer dünner Strich für Plus, kurzer dicker Strich für Minus, Referenzbezeichner BT (siehe Schaltzeichen). Den Typ schreibst du als Wert daneben, etwa „CR2032“ – so ist im Plan gleich klar, welcher Halter und welche Zelle gemeint sind.

Kennwerte am Beispiel CR2032

Die CR2032 ist die mit Abstand verbreitetste Lithium-Knopfzelle. Ein typisches Datenblatt, etwa der Renata CR2032, nennt diese Werte:

Der entscheidende Wert ist der Innenwiderstand. Er liegt um zwei Größenordnungen über dem einer Mignon-Zelle und wächst zum Ende der Entladung und in der Kälte auf ein Vielfaches. Was das bedeutet, rechnest du mit dem Ersatzschaltbild aus Spannungsquelle und Innenwiderstand aus: Der Spannungseinbruch ist ΔU = I · R_i.

Größere Zellen wie die CR2450 (rund 600 mAh) haben mehr Kapazität und einen kleineren Innenwiderstand; kleinere wie die CR1220 (rund 35–40 mAh) reichen nur noch für ein Uhren-IC.

Bauformen und Halter

Neben der losen Zelle gibt es Ausführungen mit angeschweißten Lötfahnen oder Drahtanschlüssen für Geräte, in denen die Zelle ein Leben lang bleibt. Für austauschbare Zellen stehen viele Halter zur Wahl:

• SMD-Halter aus Metall, die die Zelle seitlich einklemmen; der Minuskontakt ist eine Kupferfläche auf der Platine unter der Zelle.
• Bedrahtete Halter mit Kunststoffrahmen und Federzunge.
• Halter mit Deckel oder Schraube, wenn das Gerät in Kinderhände kommt.

Bei Haltern ohne eigenen Minuskontakt muss die Kupferfläche unter der Zelle vergoldet sein (ENIG) und frei von Lötstopplack und Durchkontaktierungen bleiben; HASL-Zinn bildet eine buckelige, oxidierende Oberfläche mit schlechtem Kontakt.

Wiederaufladbare Knopfzellen

Es gibt auch Akkus im Knopfzellenformat. Die LIR2032 ist eine Lithium-Ionen-Zelle mit 3,6–3,7 V Nennspannung, 4,2 V Ladeschluss und nur rund 40 mAh – ein Zehntel der CR2032. Die ML2032 (Lithium-Mangan, 3 V) ist für das Puffern einer Echtzeituhr gebaut und wird aus der Versorgung mit kleiner Spannung nachgeladen. Beide passen mechanisch in jeden CR2032-Halter.

Pulslast und Pufferkondensator

Funkmodule senden mit 5 bis 20 mA, für wenige Millisekunden. Das liegt weit über dem Dauerstrom der Zelle. Damit die Spannung dabei nicht unter die Brown-out-Schwelle des Mikrocontrollers fällt, setzt du einen Kondensator parallel zur Zelle: Er liefert den Puls, die Zelle lädt ihn danach langsam nach.

Rechne den mittleren Strom aus Schlaf- und Sendephasen und daraus die Laufzeit, wie es Akku-Laufzeit berechnen zeigt; Schnellrechnungen erledigt der Rechner für die Laufzeit von Akku und Batterie.

Echtzeituhr puffern

Die klassische Aufgabe für eine Knopfzelle: Die Uhr soll weiterlaufen, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Viele RTC-Bausteine haben dafür einen eigenen Batterieeingang (VBAT) und schalten selbst um. Wo nicht, verbinden zwei Dioden die Hauptversorgung und die Zelle zu einem „Dioden-ODER“: Die jeweils höhere Spannung versorgt die Uhr.

Die Diode D2 hat dabei eine Sicherheitsaufgabe: Sie verhindert, dass die 3,3-V-Versorgung Strom in die Lithiumzelle drückt. Fließt Ladestrom in eine Primärzelle, kann sie Gas bilden, auslaufen oder bersten. Sicherheitsnormen verlangen deshalb einen zweiten Schutz für den Fall, dass die Diode durchlegiert – hier den Widerstand R1, der den Fehlerstrom begrenzt. Am besten nimmst du eine Schottky-Diode mit kleinem Sperrstrom, denn auch der fließt als Ladestrom in die Zelle.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Chemie nach Spannung und Strom: Lithium für 3-V-Elektronik mit Mikroampere-Ruhestrom, Silberoxid, wo eine sehr konstante Spannung von 1,55 V zählt, Alkali nur für einfache und billige Geräte. Für höhere Temperaturen, etwa in der Nähe von Motoren, gibt es BR-Zellen bis 85 °C und mehr.

Häufige Fehler:

• Milliampere aus einer Knopfzelle: Eine LED mit 10 mA Dauerstrom oder ein WLAN-Modul mit 300 mA Spitzen überfordern eine CR2032. Für solche Lasten nimm AA-Zellen oder einen Lithium-Ionen-Akku.
• Spannung nur im Leerlauf gemessen: Eine fast leere Zelle zeigt ohne Last noch 2,9 V und bricht im Puls ein.
• Halter, der die Zelle kurzschließt: Eine Metallzunge, die an den Rand des Bechers und gleichzeitig an Minus kommt, entlädt die Zelle in Stunden.
• Zelle mit bloßen Fingern eingesetzt: Hautfett erhöht den Übergangswiderstand und begünstigt Kriechströme. Fass sie am Rand an.
• LR44 statt SR44: Beide sind gleich groß, aber die Alkalizelle sinkt stetig ab. Messgeräte, die eine konstante Spannung erwarten, zeigen dann falsche Werte.

Leere Knopfzellen gehören wie alle Batterien in die Sammelbox. Vorher klebst du die Pole ab: Mehrere lose Lithiumzellen können sich in der Box gegenseitig kurzschließen. Wie Alkali-Rundzellen im Vergleich abschneiden, zeigt die Alkali-Mangan-Batterie.

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