Baterias. ¿Por qué usar 9V?

Con toda la tecnología disponible hoy en día para poder aumentar el voltaje de manera eficiente usando SMPS, ¿por qué seguimos usando baterías de 9V? ¿Hay alguna ventaja secreta con ellos que desconozco?

Si observa el tamaño también, el 9V es simplemente grande y voluminoso, y he diseñado proyectos en los que puedo usar baterías 2xAA y aumentar el voltaje, lo que me dará una mayor duración de la batería que un 9V. Y ocupa la misma cantidad de espacio.

Muchos circuitos de hoy también necesitan regulación, y la forma más fácil de hacerlo con un 9V es un regulador lineal (generalmente de aproximadamente 5V) y soy consciente de que este no es el caso para cada diseño, pero que allí se desperdicia energía, y una vez más, aumentar el voltaje de 1 o 2 baterías AA probablemente le dará a su producto una mejor vida útil.

Vi una comparación entre una batería de 9V y algunas baterías AA, donde alguien encontró la energía disponible, y terminé con estos datos: NOTA: Estos resultados fueron de baterías alcalinas Energizer

Entonces, con todos estos datos, ¿por qué las baterías de 9V todavía se usan en los diseños? ¿Hay algunas aplicaciones donde sería ventajoso usarlas? ¿O es generalmente una mejor idea simplemente elegir la solución AA o AAA?

Ha habido momentos en los que he considerado usar una batería de 9V para algunos de mis proyectos, pero siempre parece que después de hacer mis cálculos, simplemente no aguantan tan bien como otros, así que ¿me estoy perdiendo algo?

Como referencia, las hojas de datos para las baterías comparadas están aquí: AA 9V

EDITAR: No tengo la intención de que esta sea una pregunta 'basada en la opinión', más bien, tenía la intención de preguntar desde un punto de vista práctico, si había ventajas en elegir un 9V sobre cualquier otra solución (como aumentar las baterías AA) . ¡Solo quería dejar eso en claro!

Primero, un AA no es una batería ... es una célula. Una batería es una "batería" de celdas, es decir, más de una celda. Una batería de 9V contiene seis celdas de 1.5V. Desgarra uno y mira.

En cuanto a por qué todavía usamos baterías de 9V, realmente es una cuestión de diseño. Lo bueno de las baterías de 9V es que le brindan un rango de voltaje de funcionamiento bastante amplio durante su vida útil sin ser un voltaje demasiado alto. También vienen en un paquete compacto realmente agradable que tiene un clip bastante utilizable.

Sin embargo, de ninguna manera recomendaría usar uno con un regulador lineal para generar 5V, a menos que el requisito actual de ese 5V sea muy pequeño. Es mejor diseñar sus circuitos utilizando componentes que funcionen directamente a los 9V.

También realmente depende de la naturaleza de su widget. Si tiene sensores o transductores que requieren voltajes más grandes y funciona con batería, es más simple y generalmente más barato usar una batería de 9V.

También hay que tener en cuenta las ramificaciones de aumentar un voltaje más bajo. Al hacerlo, introducirá muchos problemas nuevos, entre los cuales se encuentra el ruido electromagnético que agregará y tendrá que tratar. La eficiencia también es un problema.

Pero al final, hay mucho de aquí para allá en la decisión, por lo que esta pregunta realmente entra en los rangos de opinión.

Una batería de 400 mAh y 9 V durará un año con un consumo de corriente de 40 µA.

Ahora considere un detector de humo. Es un circuito analógico de baja potencia, lo más probable es que consuma menos de la cifra de 40 µA anterior. Si desea alimentarlo desde un convertidor de refuerzo y AA, necesitaría un convertidor con una corriente inactiva muy baja.

Pero ... cuando hay fuego, ahora necesitas bastante potencia y suficientes voltios para conducir el altavoz piezoeléctrico. Estos necesitan voltaje. 9V es más fuerte que 3V.

Por lo tanto, su convertidor DC-DC de corriente inactiva muy baja también debe generar una corriente alta si es necesario.

También debe poder medir el estado de carga con precisión en los AA.

Todo esto costará más que la diferencia entre 9V y 2AA. Y recuerde, el cliente paga las baterías de repuesto, ¡no el fabricante!

Los circuitos de refuerzo tienen una corriente de reposo; parte de la energía se desperdicia simplemente con el convertidor boost. También se vuelven muy ineficientes en ciclos de trabajo bajos.

Entonces, si tiene un circuito que generalmente consume una corriente muy pequeña pero que ocasionalmente necesita consumir más, es difícil abordarlo con un solo convertidor de refuerzo.

Los principales usuarios de las baterías de 9V son elementos como detectores de humo y multímetros que se ajustan exactamente a este caso de uso: baja corriente, casi todo el tiempo. Si espera que la duración de la batería sea inferior a, digamos, 3 años con una batería de 9V, puede ser una mala elección.

Puedes ver esto en que casi cualquier cosa que tenga una radio (juguetes, controles remotos, etc.) usará varios AA o Li recargable de algún tipo.

Los convertidores Boost tampoco son gratuitos, cuestan piezas y espacio.

(El diseño que permite que los relojes de pared baratos funcionen con una sola batería AA es bastante bueno, y me gustaría ver una buena ingeniería inversa).

Mi multímetro usa una batería de 9V y quizás consume aproximadamente 10mA para funcionar. Es muy exacto.

Si funciona con una batería de 3V, la corriente promedio será de 40mA con una eficiencia del 75%. Sin embargo, la corriente de sobretensión tiene que subir 80 mA a través de un inductor. Básicamente, la traza, el cable de la batería y el inductor ahora actúan como una antena que emite energía a mis componentes sensibles dentro de mi multímetro.

Entonces mis lecturas saltan y maldeciré y juraré por comprar un medidor de 2 pilas AA.

Solía ​​tener una vieja calculadora programable alimentada por un montón de baterías AA. Lo molesto de esto es que se reiniciaría fácilmente si lo sacudiera. Esto nunca le sucede a mi multímetro que funciona con una batería de 9V.

Además, la electrónica que necesita aproximadamente 5V generalmente funciona con baterías 3xAA, no con una de 9V. Tener unos pocos voltios adicionales simplifica muchos diseños, especialmente con opamps más antiguos que no podían proporcionar salida de riel a riel. Esto es un problema menor hoy en día, cuando la mayoría de las partes tienen una versión de 3.3V.

Las baterías PP3 están bien con muchos chips de medidor, por ejemplo. En muchos casos, la energía total por dólar puede no ser tan importante: si la batería dura un año o tres, es lo suficientemente buena y pueden ahorrar un poco de dinero con los circuitos. Otro ejemplo sería una vida útil de la batería de respaldo que es más importante que la densidad de energía.

A menudo verá células de botón utilizadas, que contienen incluso menos energía y pueden ser asombrosamente caras (o bastante baratas) en aplicaciones donde la energía total consumida durante una vida útil razonable de la batería no es tan alta. Donde se requiere más energía, las células recargables de iones de litio son más comunes.

No creo que muchas aplicaciones nuevas , incluso en bienes de consumo, usen baterías de 9V, pero habrá dispositivos más antiguos (y diseños más antiguos) en las próximas décadas.

Cuando intente diseñar equipos de ruido ultra bajo, un regulador lineal silencioso con una batería de 9V superará a casi cualquier convertidor DC-DC que invariablemente tendrá un poco de ruido de conmutación (ya sea en la salida o emitido). Ciertamente, esa era la regla general en nuestro departamento de astrofísica (es cierto, ese es un viejo argumento que puede haber sido superado por la realidad).

Otros han señalado la ventaja (en términos de corriente de espera) de usar 9V en un sistema con una baja necesidad de energía pero el requisito de una batería de larga duración / alta potencia instantánea (por ejemplo, alarmas de incendio). Pero tiene razón: si la densidad de potencia es el criterio principal, el viejo PP9 no es una excelente elección. Y es por eso que no los ves en muchas linternas, por ejemplo.

Las consideraciones sobre la selección de la batería pueden incluir la propensión a fugas, la compatibilidad de un producto, la demanda actual máxima y los problemas de reciclaje.

• Fuga de celdas AA: en los equipos electrónicos, la fuga de la batería puede ser un gran problema a menos que se incorporen características de diseño especiales en el soporte de la batería para evitar la corrosión. Por desgracia, los contactos de oro se gastan $ ive. No sé si las baterías de 9 voltios tienen más o menos probabilidades de tener fugas, pero si puede averiguarlo, eso podría influir en su decisión de selección de equipos que deben permanecer desatendidos durante años. Tengo algún equipo destrozado por la fuga de alcalinos Duracell AA.
• Capacidad de soporte: Quizás en algún momento en el futuro las baterías de 9 voltios estén tan disponibles como lo está Kodachrome en la actualidad. En ese caso, cualquier equipo puede requerir reemplazo. Esto puede ser una decisión de marketing, no de ingeniería: a su personal de marketing le puede gustar la idea de que el producto se vuelva inútil en unos pocos años y deba ser reemplazado.
• Máxima demanda de corriente: la corriente y la potencia máximas se rigen por Thevenin y Norton. La batería actúa como si fuera una fuente de voltaje perfecta en serie con una resistencia. El voltaje y la resistencia son variables según la condición interna de la batería. Y la potencia máxima disponible es a una corriente de carga que cae la mitad del voltaje de la batería a través de esa resistencia interna. Es posible que sea necesario algún trabajo de laboratorio para decidir la mejor batería para su aplicación, dependiendo de la demanda máxima de energía.
• Problemas de reciclaje: Por razones medioambientales, solo $, por supuesto, me gusta reciclar mis AA Duracells por los medios poco ortodoxos de recargarlas y usarlas nuevamente. Encuentro que el AA Duracell recargado vuelve al voltaje completo, pero tiene una mayor resistencia interna que impide que mi radio suene al máximo volumen. Las celdas recargadas también tienen una vida más corta. Pero tengo muchas más horas de juego a un volumen más bajo. Con una batería de 9 voltios, es posible que solo tenga una celda muerta de cada seis, por lo que recargarla para restaurar una puede degradar las otras cinco por sobrecarga. Se requerirá cierta experimentación de laboratorio para determinar la mejor manera de hacerlo. Y sea cual sea el resultado de sus experimentos, un cambio en el proveedor de baterías o en el proceso de fabricación del proveedor podría invalidar sus resultados.

Buena suerte. En ingeniería, su respuesta podría no ser correcta o incorrecta. La mayoría de las decisiones son un compromiso entre cuestiones en competencia.

Un par de puntos no abordados en otras respuestas:

Su comparación de peso es justa, pero creo que la comparación directa volumen-volumen es injusta, porque generalmente se desperdicia algo de espacio al empacar objetos redondos. El espacio ocupado por el cuboide que contiene una celda AA es de aproximadamente 10.5cm3. Multiplique eso por PI / 4 para obtener el volumen del cilindro y nos acercaremos a los 8.1 cm3 en su tabla.

Con una batería PP3 de 9V, está pagando para tener 6 pequeñas celdas de 1.5V (más pequeñas que AAA) suministradas en un paquete conveniente. Es este embalaje "innecesario" el que agrega el peso extra y el volumen. Las aplicaciones donde se usan estas baterías son lo suficientemente pequeñas como para que el costo de este embalaje a menudo no se considere importante.

Si un fabricante de equipos (que normalmente vende sus productos "batería no incluida") elige entre usar celdas 2xAA más convertidor de voltaje o celda 1xPP3, debe considerar no solo el costo adicional del convertidor, sino también el conector de la batería. Las baterías PP3 tienen un conector muy ordenado que se engancha en un extremo, mientras que las celdas individuales necesitan un soporte de batería adecuado integrado en el producto, para agarrar la batería en ambos extremos. Dado que el consumidor rara vez considera el costo de las baterías al comprar el equipo, eso le da al fabricante dos razones para optar por el PP3.

Los reguladores de impulso (y los ingenieros para diseñarlos) no siempre han sido baratos o pequeños. En consecuencia, hay muchos equipos en el mercado que utilizan un riel de 9v no regulado o un regulador lineal. Los detectores de humo y los multímetros son un par de ejemplos: el rediseño costaría dinero y no reduciría sustancialmente el costo de la lista de materiales ni aumentaría la funcionalidad comercializable.

(Ahora, una alarma de humo que recargaba un supercondensador usando las emisiones alfa de la fuente y nunca necesitaba un cambio de batería tendría una ventaja en el mercado; no estoy seguro si las leyes de la física lo permiten ...)