Auswahl eines Knopfzellen-Batteriehalters für maximale Stoß- und Vibrationsfestigkeit und einfaches Auswechseln

Lithium-Knopfzellen wie die CR2032 haben ihren Weg in eine Vielzahl von tragbaren elektronischen Anwendungen gefunden, von denen viele einen Batteriewechsel erfordern. Um Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten, müssen die Entwickler sicherstellen, dass die Knopfzellen in Batteriehalterungen eingebaut sind, die einen einfachen und schnellen Batteriewechsel ermöglichen. Gleichzeitig muss die Batteriehalterung so robust sein, dass sie auch bei Stößen und Vibrationen eine gute Verbindung zur Zelle aufrechterhält. Die Zellenhalterungen müssen auch einen sicheren Halt der Zelle bieten und vor unbeabsichtigten Kurzschlüssen schützen.

Auf der Fertigungsseite müssen die Zellhalterungen für eine automatisierte Pick-and-Place-Produktion mit klarer Trennung der Verbindungen ausgelegt sein. Die Zellen sollten sowohl für die Oberflächenmontage als auch für die Durchkontaktierung erhältlich sein.

Dieser Artikel befasst sich mit dem Konzept, das diesen Batteriehaltern zugrunde liegt, mit ihren einzigartigen Merkmalen und Vorteilen sowie mit Designüberlegungen bei der Auswahl von Knopfzellenbatteriehaltern. Anschließend wird die Serie Snap Dragon von Memory Protection Devices (MPD) vorgestellt und gezeigt, wie man die Bedenken der Entwickler mit einer nichtleitenden, einrastenden Abdeckung ausräumen kann.

Das Konzept des Snap Dragon

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat MPD die Serie „Snap Dragon“ eingeführt, eine völlig neue Kategorie von Zellenhaltern. Diese erhöhen die Zuverlässigkeit von offenen Knopfzellenhaltern durch die Verwendung eines verschließbaren Schnappdeckels, der verhindert, dass Stöße, Vibrationen und Stürze die Zelle ablösen oder unterbrochene Verbindungen verursachen. Um den Anforderungen an die Benutzerfreundlichkeit gerecht zu werden, lässt sich die Abdeckung mit einem Handgriff abnehmen, was einen schnellen und einfachen Batteriewechsel ermöglicht.

Für die Herstellung ist die Flüssigkristallpolymerbasis (LCP) des Geräts tolerant gegenüber Hochtemperatur-Reflow-Lötverfahren. Die einrastende Abdeckung ist nicht nur einfach zu bedienen, sondern durch die Verwendung von Polypropylen auch stabil und flexibel genug, um im Laufe der Zeit mehrere Batteriewechsel zu ermöglichen. Trotz dieser Eigenschaften sind die Snap-Dragon-Halterungen sehr flach und ragen in der Regel nur 1 Millimeter (mm) über die Leiterplatte der Knopfzelle hinaus.

Bei näherer Betrachtung sind die Snap-Dragon-Knopfzellenbatteriehalter zweiteilig und bestehen aus einer einrastbaren Batteriehalterung und einem dazugehörigen Sockel, die zusammen die Zelle halten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Snap-Dragon-Knopfzellenhalter bestehen aus einer zweiteiligen Konstruktion, die aus einem Sockel und einer einrastbaren, nicht leitenden Batteriehalterung besteht, um einen zuverlässigen Betrieb auch bei Stößen und Vibrationen zu gewährleisten. (Bildquelle: Memory Protection Devices)

Wenn die Abdeckung eingerastet ist, ist die Knopfzelle vollständig verriegelt, so dass der Snap Dragon eine ausgezeichnete und zuverlässige Verbindung bietet.

Während einige hochzuverlässige Zellenhalter die Installation und den Austausch von Batterien durch den Benutzer erschweren oder unmöglich machen können, ist der Snap-Dragon-Zellenhalter so konzipiert, dass er einen einfachen und intuitiven Prozess bietet. Das Design des Snap Dragon ist zum Patent angemeldet und ist die neueste Ergänzung zu MPDs Portfolio an Batteriehaltertechnologien.

Snap-Dragon-Knopfzellenhalter sind in zwei verschiedenen Größen für BR/CR2032- und BR/CR1225-Zellen in horizontaler oder vertikaler Ausrichtung erhältlich. Sie können entweder mit Laschen für die Oberflächenmontage (SMT) oder mit Stiften für die Durchkontaktierung auf einer Leiterplatte geliefert werden. Diese Zellen bieten eine Leistung von bis zu 220 Milliamperestunden (mAh) und sind recht klein, was sie ideal für Schaltungen mit geringem Leistungsbedarf in tragbaren Geräten macht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein zusammengebauter Snap-Dragon-Knopfzellenhalter für die Oberflächenmontage, bei dem die Batteriehalterung eingerastet ist und eine 20-mm-Knopfzelle an der Basis hält. (Bildquelle: Memory Protection Devices)

Die Basiskomponente

Die Snap-Dragon-Knopfzellenhalter bieten eine Basis aus hochwertigem Flüssigkristall-Polymer-Kunststoff, der sowohl dünn als auch stabil ist. Er ist auch in der Lage, den hohen Temperaturen bei SMT-Lötprozessen standzuhalten. Der Halter ist für einen Temperaturbereich von -40°C bis 280°C ausgelegt. Die LCP-Basis bietet außerdem eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit und kann widrigen Umweltbedingungen standhalten.

Die Snap-Dragon-Basis besteht aus zwei Druckkontakten aus vernickelter Phosphorbronze mit einer Goldbeschichtung für hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Dies bietet auch einen zusätzlichen Korrosionsschutz beim Kontakt mit den vernickelten Edelstahlelektroden der Knopfzelle. Die doppelten Druckkontakte bieten nicht nur einen extrem niedrigen elektrischen Widerstand, sondern sorgen auch für einen festen Sitz, um zu verhindern, dass die Münzzelle durch Stöße, Vibrationen oder falsche Handhabung verrutscht (Abbildung 3).

Abbildung 3: Abgebildet sind die doppelten Druckkontakte auf einem oberflächenmontierbaren Sockel von MPD. (Bildquelle: Memory Protection Devices)

Die in Abbildung 3 gezeigte Basis ist ein BHSD-2032-SM von Memory Protection Devices. Es handelt sich um einen horizontal ausgerichteten, oberflächenmontierbaren Sockel für eine CR2032-Knopfzelle. Die doppelten Druckkontakte sind deutlich zu erkennen.

Die Snap-Dragon-Zellenhalter bieten all diese Vorteile und sind gleichzeitig extrem flach.

Der Zellenhalter

Die zweite Komponente der Zellenhalter der Snap-Dragon-Serie ist der durchsichtige Zellenhalter oder die Abdeckung aus Polypropylen (PP), der für einen zuverlässigen Halt der Batterie sorgt. Die robuste und gleichzeitig flexible Abdeckung lässt sich dank der biegsamen Laschen leicht abnehmen und wieder anbringen, ohne dass sich der Kunststoff verzieht.

Die passende Halterung für die in Abbildung 3 gezeigte Basis ist die BHSD-2032-COVER von MPD (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die passende Abdeckung für den in Abbildung 3 gezeigten Sockel des Knopfzellenhalters. (Bildquelle: Memory Protection Devices)

Prüfung der Zuverlässigkeit von Zellenhaltern

Die Zuverlässigkeitsprüfung der Halterungsbasis BHSD-2032-SM umfasst einen einstündigen Sinusschwingungstest (10-50-10 Hertz (Hz)) in jeder der orthogonalen Achsen, bei dem keine Zellenverschiebung und kein Verlust der Kontaktkontinuität von mehr als 10 Mikrosekunden (ms) festgestellt wurde. Die Komponenten wurden auch einem 150-g-Halbsinus-Stoßtest unterzogen, bei dem drei Stöße in jeder Richtung auf jeder Achse für insgesamt 18 Stoßimpulse ohne Anzeichen von physischen Schäden durchgeführt wurden. Der abschließende mechanische Umwelttest ist ein Falltest aus einem Meter Höhe, bei dem sich die Batteriezelle nicht verschiebt.

Alle Snap-Dragon-Knopfzellenhalter haben ähnliche Testspezifikationen, was ihre Zuverlässigkeit gewährleistet.

Snap-Dragon-Konfigurationen

Die Snap-Dragon-Zellenhalter sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich. Der bereits erwähnte BHSD-2032-SM ist ein Halter für die Oberflächenmontage, der für die horizontale Installation vorgesehen ist. Der BVSD-2032-PC mit seiner Abdeckung, dem BVSD-2032-COVER, stellt eine vertikale Zellenausrichtung dar, bei der die Leiterplattenmontage über Durchkontaktierung erfolgt (Abbildungen 5a und 5b).

Abbildung 5: Der BVSD-2032-PC (a) ist ein vertikal ausgerichteter Zellenhalter für die Durchkontaktierung, zusammen mit seiner Halterung, dem BVSD-2032-COVER (b). (Bildquelle: Memory Protection Devices)

Die durchkontaktierten Versionen der Snap-Dragon-Zellenhalter verwenden Stifte statt Lötpads, sind aber ansonsten baugleich mit den oberflächenmontierten Versionen.

Neben Haltern für Knopfzellen mit einem Durchmesser von 20 mm bietet MPD auch Halter für Knopfzellen mit einem Durchmesser von 12 mm an (Abbildung 6); das Hauptunterscheidungsmerkmal ist die Batteriekapazität.

Abbildung 6: Ein 12mm-Batteriezellenhalter (a) zusammen mit seiner Abdeckung (b). (Bildquelle: Memory Protection Devices)

Das BHSD-1225-SM (siehe Abbildung 6a oben) ist für die Aufnahme von BR/CR1225-Knopfzellen ausgelegt und für die horizontale Oberflächenmontage konfiguriert. Es ist auch eine Version für die Durchkontaktierung erhältlich. Beide nutzen die gleiche Abdeckung: BHSD-1225-COVER (b).

Einhaltung behördlicher Auflagen

Für Anwendungen, die für den weltweiten Vertrieb bestimmt sind, ist es wichtig zu wissen, dass der LCP-Kunststoff, der in den Snap Dragon-Zellenhaltern verwendet wird, umweltfreundlich, halogen- und PFOA-frei ist und die SVHC-, REACH-, RoHS- und WEEE-Vorschriften vollständig erfüllt.

Die Knopfzellenhalter der Snap-Dragon-Familie eignen sich für kompakte, tragbare medizinische Produkte und andere Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Benutzerfreundlichkeit wichtig sind.

Snap-Dragon-Knopfzellenhalter sind mit verschiedenen Arten von Sterilisationszyklen, die in medizinischen Anwendungen üblich sind, äußerst kompatibel. In diesem Fall ist die zweiteilige Einrastfunktion besonders wertvoll, da der Akku vor der Sterilisation entfernt werden muss, da die Temperaturen im Sterilisationszyklus die Höchstwerte des Akkus für die Hitzeeinwirkung überschreiten können.

Fazit

Die Auswahl und Integration von Batteriehaltern erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Spezifikationen der Endanwendung und des Nutzungsmodells. Batteriegröße, Ausrichtung, Kompatibilität mit automatischer Platzierung, Einhaltung von Vorschriften und einfacher Batteriewechsel sind neben den Gesamtkosten die wichtigsten Aspekte. Die Snap-Dragon-Knopfzellenhalter von MPD bieten einen kostengünstigen und zuverlässigen Halt für BR/CR2032- und BR/CR1225-Batteriezellen, selbst bei Stürzen, Vibrationen oder Stößen. Und darüber hinaus ermöglichen sie einen einfachen Austausch der Zellen.