Superkondensator 5,5V 1F – zamiana na baterię CR2032, LS14250, NiMH – jakie opcje?

Pytanie

5.5v 1f zamiana na baterie jaka

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Nie istnieje „plug-and-play” bateria równoważna superkondensatorowi 5,5 V / 1 F.
• Typowy zamiennik do długotrwałego podtrzymania RTC/SRAM to pierwotna bateria litowa 3 V (CR2032) lub 3,6 V (Li-SOCl₂, np. LS14250); jeżeli układ wymaga > 4,5 V, stosuje się 4×NiMH/alkaliczne (≈ 6 V) albo 2×CR2032 z ograniczeniem/stabilizacją napięcia.
• Konieczna jest weryfikacja: (1) zakresu napięć, (2) poboru prądu, (3) istnienia obwodu ładowania – baterii nie wolno ładować układem przeznaczonym dla superkondensatora.

Kluczowe punkty
• Superkondensator gromadzi 15 J (≈ 0,004 Wh) – każda z proponowanych baterii ma co najmniej dwa rzędy wielkości więcej energii.
• Bateria ma wyższe ESR i nie odda krótkich impulsów tak szybko jak superkondensator.
• Zamiana wymaga modyfikacji (diody, przetwornicy albo całkowitego odłączenia ładowarki).

Szczegółowa analiza problemu

1. Różnice charakterystyk

Superkondensator
– Ładuje się liniowo, napięcie spada od 5,5 V do ~0 V.
– ESR rzędu miliomów → duże impulsy prądowe.
– Miliony cykli; praktycznie brak ograniczeń prądu ładowania (poza R inrush).

Bateria
– Płaski przebieg napięcia, ale wyższe ESR i ograniczone prądy (CR2032 ≈ 15–20 mA ciągłego obciążenia).
– Liczba cykli niewielka lub zerowa (pierwotne).
– Wymaga precyzyjnego ładowania (akumulatory) lub w ogóle nie wolno jej ładować (pierwotne).

2. Bilans energii i czas podtrzymania

Energia superkondensatora:
\[ E = \frac{1}{2}CV^{2} = 0{,}5 \times 1 \mathrm{F} \times (5{,}5 \mathrm{V})^{2} \approx 15{,}1 \mathrm{J} \]

Przykład: dla pamięci RTC pobierającej 10 µA i tolerującej 3 V:
– ładunek dostępny \[ Q = C(V{\text{poc}} - V{\text{min}}) = 1 \mathrm{F} \times (5{,}5-3) = 2{,}5 \mathrm{C} \]
– czas podtrzymania \[ t = \frac{Q}{I} = \frac{2{,}5}{10^{-5}} \approx 250 000 \text{s} ≈ 69 h \]

Bateria CR2032 (3 V, 230 mAh ≈ 0,69 Wh) przy tym samym prądzie zapewni ponad 2 lata, ale nie zniesie impulsów rzędu setek miliamperów.

3. Typowe scenariusze zamiany

A. Backup RTC/SRAM, prąd < 100 µA, tolerancja 2,6–5,5 V
 • 1×Li-SOCl₂ 3,6 V (LS14250, LS14500) lub 1×CR2032 3 V
 • Diody Schottky’ego (zapobiegają ładowaniu), brak ładowarki

B. Krótkotrwałe podtrzymanie logiki/MCU, prądy chwilowe 50–150 mA
 • 4×NiMH AAA lub 4×AA, nominalne 4,8 V, start 5,6–5,8 V
 • Dodaj ogranicznik napięcia (LDO 5 V lub dioda Zenera 5,6 V)
 • Zaprojektuj ładowarkę NiMH (ΔV/Δt lub -ΔV) lub stosuj pakiet wymienny

C. Impulsowe układy mocy (RF, serwa) — zwykle zostajemy przy superkondensatorze lub rozwiązaniu hybrydowym (bateria + supercap), bo bateria sama nie pokryje szczytów.

4. Układ elektryczny po zamianie

1. Odłączyć oryginalny rezystor ładowania superkondensatora od węzła VBAT.
2. Wstawić diodę Schottky’ego lub FET-ideal-diode zapobiegający przepływowi prądu z głównego zasilania do baterii.
3. Jeśli używasz dwóch CR2032 (6 V → 5 V), dołóż LDO 5 V lub kombinację Zenera 5,1 V + R szeregowy 100 Ω.
4. Dla NiMH lub Li-ion – pełny BMS/ładowarka CC/CV.

Aktualne informacje i trendy

• Superkondensatory hybrydowe (LiC) łączą zalety niskiego ESR i wyższej energii (60–80 Wh/kg) – w podtrzymaniu mogą zastąpić zarówno supercap, jak i mały akumulator.
• Układy PMIC z wbudowanym „backup managerem” (np. TI BQ25570, ADI MAX38888) automatycznie przełączają się między głównym zasilaniem, superkondensatorem i baterią.
• W IoT popularne jest sprzężenie: bateria litowa pierwotna + superkondensator; supercap bierze piki prądu z radia, bateria dostarcza średnią.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Porównanie energii: 15 J (supercap) vs 2 500 J (CR2032) – ale liczy się też minimalne napięcie pracy.
• ESR baterii CR2032 ≈ 10–20 Ω; ESR superkondensatora 1 F/5,5 V ≈ 50–100 mΩ.
• Przy prądzie impulsowym 200 mA spadek napięcia na CR2032 to > 2 V – układ może się zresetować.

Aspekty etyczne i prawne

• Baterie litowe podlegają regulacjom transportowym (UN 38.3).
• Nie wolno samodzielnie ładować baterii pierwotnych – ryzyko wycieku lub eksplozji.
• Utylizacja: superkondensator → odpady elektroniczne; baterie litowe → punkt zbiórki baterii.

Praktyczne wskazówki

1. Zmierz realny prąd podtrzymania i szczytowe impulsy (oscyloskop z rezystorem pomiarowym).
2. Zweryfikuj zakres napięć VBAT w dokumentacji układu.
3. Wybierz baterię:
    • jeśli I < 100 µA i V ≥ 2,6 V → CR2032/LS14250, brak ładowania, dioda.
    • jeśli I impulsowe > 50 mA → pozostaw supercap lub dodaj hybrydę.
4. Zaprojektuj gniazdo bateryjne, aby wymiana była prosta.
5. Przy NiMH/Li-ion umieść czujnik temperatury (IEC 62133).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Baterie o napięciu dokładnie 5,5 V praktycznie nie występują.
• Zasilacze impulsowe step-up/step-down zwiększają złożoność i straty; stosuj je tylko gdy układ ma sztywny wymóg 5 V.
• Długie czasy podtrzymania > 10 lat wymagają baterii litowych o ultra-niskim samorozładowaniu (Li-SOCl₂ < 1 %/rok).

Sugestie dalszych badań

• Obliczenie dokładnego profilu mocy układu i symulacja w LTspice.
• Testy temperaturowe (-40 °C … +85 °C) wpływu ESR baterii na stabilność zasilania.
• Rozważenie superkondensatorów hybrydowych (CAP-XX, Eaton X-V series).
• Analiza PMIC z funkcją „PowerPath” (Analog ADP5360, TI TPS63900) dla automatycznego przełączania zasobników energii.

Krótkie podsumowanie

Superkondensator 5,5 V / 1 F magazynuje niewiele energii, ale oddaje ją w dużych impulsach i jest ładowany prostym rezystorem. Aby go zastąpić, musisz dopasować:
1) napięcie – najczęściej wystarczy 3–3,6 V litowa CR/LS, ewentualnie ≈ 6 V (4×NiMH lub 2×CR2032) ze stabilizacją;
2) prąd – bateria nie pokryje krótkich szczytów -> rozważ hybrydę;
3) sposób ładowania – wyłączyć lub przeprojektować ładowarkę.

W praktyce najbezpieczniej jest: dla małych poborów prądu użyć pierwotnej baterii litowej (CR2032 / LS14250) z diodą izolującą, a dla układów impulsowych pozostawić superkondensator lub dodać go równolegle do baterii.