Baterias. ¿Por qué usar 9V?

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

En cuanto a por qué seguimos usando 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 operación bastante amplio durante su vida útil sin ser un voltaje demasiado alto. También vienen en un paquete compacto muy bueno que tiene un clip bastante utilizable.

No recomendaría de ninguna manera 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 funcionarán directamente a la 9V.

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

Uno también tiene que considerar las ramificaciones de aumentar un voltaje más bajo. Al hacer esto, introducirás muchos problemas nuevos, entre los cuales se encuentra el ruido electromagnético que estarás agregando y la necesidad de enfrentar. La eficiencia también es un problema.

Pero al final, hay muchos puntos de la decisión, por lo que esta pregunta realmente entra en las filas de opinión.

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

Ahora considere un detector de humo. Es un circuito analógico de baja potencia, lo más probable es que dibuje menos que los 40 µA de la figura anterior. Si desea alimentarlo desde un convertidor boost y AA, entonces necesitará un convertidor con una corriente de ralentí muy baja.

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

Por lo tanto, su convertidor DC-DC de muy baja corriente de inactividad 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 por las baterías de reemplazo, no por el fabricante.

Los circuitos de refuerzo tienen una corriente inactiva; Se desperdicia algo de energía simplemente teniendo el convertidor de refuerzo. También se vuelven muy ineficientes en ciclos de trabajo bajos.

Entonces, si tiene un circuito que usualmente consume una corriente muy pequeña pero ocasionalmente necesita dibujar más, es difícil abordar eso con un solo convertidor de refuerzo.

Los principales usuarios de baterías de 9 V son elementos como alarmas de humo y multímetros que se adaptan exactamente a este caso de uso: poca corriente, casi todo el tiempo. Si espera que la vida útil de la batería sea inferior a, por ejemplo, 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.) utilizará varios AA o Li recargable de algún tipo.

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

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

Mi multímetro usa una batería de 9V y tal vez consume aproximadamente 10mA para funcionar. Es muy preciso.

Si es alimentado por una batería de 3V, la corriente promedio será de 40 mA con una eficiencia del 75%. Sin embargo, la corriente de subida 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.

Luego, mis lecturas saltarán y maldeciré y juraré por comprar un medidor de 2 pilas AA.

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

Además, los componentes electrónicos que necesitan aproximadamente 5 V suelen funcionar con baterías 3xAA, no con una batería de 9V. Tener unos pocos voltios adicionales simplifica una gran cantidad de diseños, especialmente con sistemas operativos más antiguos que no podían proporcionar una salida de riel a riel. Este es un problema menor en la actualidad, cuando la mayoría de las partes tienen una versión de 3.3V.

Las baterías PP3 están bien con muchos chips de medidores, 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 batería de respaldo. La vida útil de la batería es más importante que la densidad de energía.

A menudo verá que se usan celdas de botón, que contienen incluso menos energía y pueden ser increíblemente 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 Li-ion son más comunes.

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

Cuando intenta diseñar un equipo de ruido ultra bajo, un regulador lineal silencioso con una batería de 9 V vencerá a casi cualquier convertidor CC-CC que, invariablemente, tendrá algo de ruido de conmutación (ya sea en la salida o emitido). Esa fue ciertamente la regla de oro 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 reserva) de usar 9V en un sistema con una necesidad de baja potencia, pero el requisito de larga duración de la batería / alta potencia instantánea (por ejemplo, alarmas de incendio). Pero tiene razón: si la densidad de potencia es el criterio principal, el antiguo 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 propensión a fugas, compatibilidad con un producto, demanda actual máxima y problemas de reciclaje.

• Fuga de celdas AA: en equipos electrónicos, la fuga de la batería puede ser un gran problema a menos que se incorporen características especiales de diseño en el soporte de la batería para evitar la corrosión. Por desgracia, los contactos de oro son costosos. No sé si las baterías de 9 voltios tienen más o menos probabilidades de fugas, pero si puede averiguarlo, eso podría influir en su decisión de selección para el equipo que debe permanecer desatendido durante años. Tengo algunos engranajes destrozados por fugas de alcalinas Duracell AA.
• Compatibilidad: tal vez en el futuro, las baterías de 9 voltios estarán disponibles como Kodachrome está disponible hoy. En ese caso, cualquier equipo puede requerir reemplazo. Esto puede ser un marketing, no una decisión de ingeniería: a su personal de marketing le puede gustar la idea de que el producto se vuelve inútil en unos pocos años y será necesario reemplazarlo.
• Demanda actual máxima: 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 reduce la mitad del voltaje de la batería a través de esa resistencia interna. Es posible que sea necesario realizar algunos análisis de laboratorio para decidir cuál es la mejor batería para su aplicación, dependiendo de la demanda de potencia máxima.
• Problemas con el reciclaje: solo por razones ambientales $, por supuesto, me gusta reciclar mis Duracells AA por medios no ortodoxos de recargarlos y usarlos nuevamente. Encuentro que el Duracell AA recargado vuelve a pleno voltaje, pero tiene una resistencia interna más alta que impide que mi radio funcione 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 la recarga para restaurar la una puede degradar las otras cinco al sobrecargarlas. Sería necesario realizar algunos experimentos de laboratorio para determinar la mejor manera de proceder. Y cualquiera que sea el resultado de sus experimentos, un cambio en el proveedor de la batería o en el proceso de fabricación del proveedor podría invalidar sus resultados.

Entonces, buena suerte. En ingeniería su respuesta podría no ser una respuesta correcta o incorrecta. La mayoría de las decisiones son un compromiso entre asuntos 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 10.5 cm3. Multiplique eso por PI / 4 para obtener el volumen del cilindro y nos acercaremos a los 8.1 cm3 de su tabla.

Con una batería PP3 de 9V, está pagando tener 6 celdas pequeñas de 1.5V (más pequeñas que AAA) en un paquete conveniente. Es este empaque "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 empaque a menudo no se considere importante.

Si un fabricante de equipo (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 están muy bien cuidadas con el conector del estante 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 equipos, eso le da al fabricante dos razones para optar por el PP3.

Los reguladores Boost (y los ingenieros para diseñarlos) no siempre han sido baratos o pequeños. En consecuencia, existe una gran cantidad de equipos en el mercado que utilizan un riel de 9 V no regulado o un regulador lineal. Las alarmas 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 comercial.

(Ahora, una alarma de humo que recargó a un supercapacitador utilizando las emisiones alfa de la fuente y nunca necesitó un cambio de batería tendría una ventaja de mercado; no estoy seguro si las leyes de la física lo permiten ...)