El ruido de la batería alcalina varía con la temperatura

Tenía una batería alcalina de 9V conectada a un puente resistivo, que redujo el voltaje a varios canales analógicos. Estaba probando la temperatura de los canales analógicos y cuando llegó a menos de 10 ° C noté que el ruido del voltaje de la batería pasó de> 1uV a 10 mV. Como siempre pensé que las baterías eran una fuente estable, comencé a revisar mi electrónica analógica, solo para descubrir que era la batería.

¿Alguien ha caracterizado este ruido o la temperatura a la que comienza?
¿De dónde viene (qué procesos físicos)?
¿Esto se aplica a todas las químicas de la batería (¿Todos los tipos de batería se vuelven ruidosos con temperaturas más bajas)?

Editar - Más cosas:
esto no es mecánico, un ingeniero de pruebas y lo descarté. Los componentes electrónicos no están a la misma temperatura y no funcionan con la batería. La batería es una referencia. Hay sensores que utilizamos que normalmente bajamos a la temperatura a la que están conectados los componentes electrónicos analógicos y no hay ningún problema con el ruido con el sensor normal. El ruido proviene de la batería.

Editar - Palabra final: para que no tenga que leer muchos comentarios, publicaré el resultado aquí. Cuando me desperté esta mañana, pensé en prestar atención al consejo de algunos usuarios y verificar la configuración mecánica. Sugerí que el técnico revise las cosas y vuelva a hacer las uniones de soldadura con soldadura con plomo en lugar de sin plomo. Después de que las cosas funcionaron muy bien, tuve menos de 1uV de ruido bajando en la temperatura. Así que me disculpo por no escuchar comentarios sobre mecánica.

batteries analog noise

— Pico de voltaje
fuente

Supongo que tiene una conexión que es mecánicamente marginal, y la temperatura más baja hace que se afloje y se vuelva algo intermitente. Afortunadamente, las baterías de 9V son baratas. Reemplácelo y verifica tus conexiones.

— WhatRoughBeast

Observación interesante +1. Se ha dicho que las baterías no hacen ruido. ¿Cuál es el espectro de su supuesto ruido? Creo que comprobará y volverá a comprobar la configuración de su prueba. Si el ruido persiste, entonces ha descubierto algo.

— Autistic

Podría ser que la impedancia efectiva de su batería aumente a medida que la temperatura desciende (a la mayoría no le gusta el frío) y eso puede significar un mayor ruido. ¡Pero primero descarte algún otro aspecto del fracaso de su experimento!

— Chris Stratton

Interesante pregunta. Creo que generalmente se supone que las baterías no son fuentes de ruido, no se conocen ni se prueban. A medida que las tasas de reacción química se reducen con el frío, quizás no sea sorprendente que las estadísticas también cambien: si la reacción es exotérmica, el calentamiento local puede aumentar localmente la tasa -> ruido de baja frecuencia. Si es así, esperaría que dependa mucho de la química de la batería y de la temperatura: es posible que haya tropezado con un área de investigación interesante, ¡y me interesarían los resultados!

— Brian Drummond

Perdóname por estar tan fuera de lugar aquí, pero, sinceramente, creí que me habían enseñado que cualquier fuente de resistencia a cualquier temperatura podía y debería experimentar ruido térmico. ¿Las baterías son diferentes debido a su química, compensando el ruido? ¿O una masa térmica más grande que sea resistente a ese tipo de fluctuaciones? O...? Sólo curioso.

— Sean Boddy

Respuestas:

Teniendo en cuenta que la variación del ruido con la temperatura es una propiedad fundamental de la materia, todas las cosas (que incluyen baterías alcalinas) tendrán un ruido proporcional a la temperatura. Todas las resistencias tienen ruido térmico, y todas las baterías tienen resistencia, y su ruido es más o menos de esa resistencia interna. El ruido de voltaje de una batería (o resistencia) es:

V_{norte o yo s mi} = \sqrt{\frac{4 4 h F R Δ v}{{mi}^{\frac{h F}{k T}} - 1}}

$V_{noise}=\sqrt{\frac{4hfR\Delta v}{e^{\frac{hf}{kT}} -1}}$

donde h es la constante de planck, f es la frecuencia, R es la resistencia interna de las células o la célula, ∆v es el ancho de banda, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura en kelvin. Como puede ver, bajar la temperatura disminuye el ruido. Esto es cierto para todo, no sucede nada aquí exclusivo de las baterías. Este ruido se llama ruido Johnson-Nyquist .

En cuanto a qué química tiene el ruido más bajo, no hay una diferencia significativa en teoría. En la práctica, las celdas de níquel-cadmio tienen el menor ruido de voltaje. Sin embargo, esto se debe únicamente a que la química también tiene la resistencia interna más baja. Como puede ver en la ecuación anterior, la disminución de la resistencia reducirá el ruido en general. Las células alcalinas tienen una resistencia interna relativamente alta, por lo que no es sorprendente que sean más ruidosas como química. Tenga en cuenta que esto significa que el tamaño de la celda es tan importante para el ruido de voltaje como la química de la celda. Las celdas más grandes tienen menor resistencia interna y, por lo tanto, menor ruido.

Pero no confíes en mi palabra. Toma NIST's. Hicieron un estudio sobre el ruido de las baterías, y hay buenos gráficos para aquellos curiosos en ese documento, pero después de mediciones sustanciales hasta el piso de ruido termodinámicamente limitado, concluyeron que el ruido del voltaje de la batería está esencialmente de acuerdo con el ruido térmico esperado de Johnson-Nyquist que cabría esperar de la resistencia interna de la célula.

Editar: Vaya, olvidé que toda la pregunta era sobre el aumento del ruido una vez que se enfrió lo suficiente. La resistencia interna de una batería aumenta a medida que se enfría y disminuye a medida que se calienta. Este mecanismo es de naturaleza química, y probablemente podría variar entre diferentes construcciones de la misma química. En general, la temperatura puede aumentar la resistencia interna muchouna vez que tengas suficiente frío. La resistencia interna está determinada en última instancia por la velocidad en que puede ocurrir la reacción química, y cuanto más fría es la batería, más lenta es la reacción. Es una apuesta segura observar la resistencia interna de la célula o la química frente a la temperatura, esto debería darle una buena idea de qué tan caliente necesita mantener la célula. Habrá un 'punto dulce' donde el ruido es más bajo. Más cálido y la temperatura aumenta el ruido más de lo que disminuye la resistencia interna, más frío y la resistencia interna aumenta más de lo que disminuye el ruido.

EDIT2: Parece que la resistencia interna de una celda alcalina se duplica (o al menos una celda AA) que va de 20 grados C a 10. Esto es demasiado pequeño para dar cuenta del aumento de ruido de varios órdenes de magnitud.

Lo siento. Algo raro esta pasando. ¿Efectos de termopar quizás?

— metacollin
fuente

Creo que el OP está observando un aumento de ruido a medida que la temperatura bajó , en lugar de subir, y específicamente un salto marcado cuando se pasó el umbral de 10 ° C.

— scanny

Tienes toda la razón, scanny. He enmendado mi respuesta, aunque ya no creo que realmente cuente como una respuesta. Es demasiado largo para un comentario, puede ser útil, pero no debería obtener ningún voto. No estoy seguro de qué está causando un comportamiento tan extraño.

— metacollin

Creo que esta es una respuesta que vale la pena, ya que ayuda a enmarcar el problema y proporciona una base adecuada para otros comentarios que son incorrectos, es decir, "las baterías no tienen ruido", etc. Puede que no proporcione la respuesta, pero hace avanzar las cosas.

— marcador de posición

Entonces, rehice la conexión mecánica con la soldadura con plomo, y el ruido a bajas temperaturas desapareció, lo que significa que las baterías aún funcionan como yo esperaría (y usted esperaría). Dado que piensas mucho en tu respuesta (y me imagino que así es como deberían formarse las baterías), obtienes el premio.

— Voltaje pico

Las baterías tienen ruido, es solo el ruido térmico del ESR, que casi siempre es menor que otras fuentes de ruido. Lo que se está perdiendo aquí es que en un período de temperatura muy corto, el nivel de ruido salta 3-4 órdenes de magnitud. Consulte la respuesta de @metacollins para obtener más detalles.

Incluso dadas las ecuaciones electroquímicas, este es un efecto mucho más grande de lo que debería esperarse, vea las ecuaciones de Arrhenius, etc. Para que esto suceda, significa que la energía de activación del sistema está cerca de los 0.026 eV a temperatura ambiente.

Mi sentido de la araña me dice que esto podría ser un cambio físico en la batería debido a los efectos de construcción. Si la batería está hecha con una estructura granular, a medida que la celda se contrae, uno puede tener rutas de conducción muy diferentes a través de la celda, con una transición abrupta en la resistencia de la celda debido a la tensión / tensión dentro de la celda.

Si esta hipótesis es correcta, uno esperaría que el nivel de ruido aumentado tenga componentes similares a parpadeo (es decir, comportamiento de ruido 1 / f) en su espectro de frecuencia. Las vías de conducción largas que cruzan los límites de grano suelen tener este tipo de firma.

Además, debería poder medir el cambio de resistencia de las células con la temperatura.

Por supuesto, si este es un diseño de producción, ahora deberá verificar que es reproducible y, por lo tanto, especificarlo como un parámetro en su lista de materiales.

Si mi suposición es correcta, entonces esta podría ser una célula mala.

— marcador de posición
fuente

Utilicé diferentes baterías y algunas de inmediato con el mismo resultado. Voy a ver la mecánica por última vez para descartar eso y hacer felices a todos (incluido a mí).

— Voltaje pico

Es más probable que el ruido provenga de la línea VCC de su circuito, no de la batería en sí. Con una creciente impedancia de la batería, el ruido VCC se volverá más frecuente ya que ya no tendría la ruta original de baja dependencia a tierra (a través de la batería). Esto es como colocar una resistencia cada vez más alta en línea con su batería. Para reducir el ruido, puede colocar una cerámica de valor moderado (aproximadamente 1 uf) directamente a través de la batería o en los puntos de conexión de la batería de la PCB. Esto reduciría la impedancia efectiva de la batería vista por VCC y debería reducir el ruido de frecuencia más alta. Si el ruido es una frecuencia más baja, también se puede agregar una tapa electrolítica en paralelo con la tapa de cerámica. Una batería fría o una batería parcialmente descargada puede mostrar una mayor impedancia en serie.

— Nedd
fuente

El ruido no proviene de la línea VCC (tengo reguladores realmente buenos para garantizar que esto no suceda). Además, si provenía de mi línea VCC, el ruido no respondería a la temperatura. Las resistencias tienen menos ruido con la temperatura y las resistencias no tienen mV de ruido (a menos que esté hablando de resistencias mayores que el aire). El efecto seebeek (termocuplas) disminuye con la temperatura. Sé que puedo disminuir el ruido con mayúsculas. También sé que la resistencia en serie aumenta en una batería.

— Voltaje pico

Mi electrónica no está usando la línea VCC para la alimentación

— Voltaje pico

Lo que me interesa es saber exactamente por qué sucede esto y cuándo sucede con la temperatura (quiero saber la temperatura de la que me tengo que preocupar). Las baterías son una gran fuente de bajo ruido, pero aparentemente no con la temperatura, ¿qué pasa si hay una mejor química de la batería que podría usar para probar a una temperatura más baja?

— Voltaje pico

¿No tiene los puntos 9v del puente conectados a algún tipo de puntos vref ADC altos o bajos? Es posible que no estén etiquetados como VCC, pero aún pueden transferir ruido si no se omiten correctamente. No hay ninguna razón para que una batería alcalina simple cree ruido activo (especialmente en el rango mv), aparte de trabajar cerca de estaciones de radio de alta potencia, fluencia térmica / mecánica o algún tipo de efecto de acoplamiento térmico en los contactos. Intente agregar resistencias de pequeño valor a los terminales + y - para encontrar de qué lado se genera el ruido. Detecta niveles de ruido usando una sonda diferencial.

— Nedd

Si no entiendes el experimento, déjame explicarte nuevamente. Estoy midiendo la batería con un circuito analógico con ganancia conectada a los ADC. No hay ruido hasta que tome la batería y baje la temperatura, cuando vuelva a subir la temperatura, el ruido desaparecerá. Esta es una situación de prueba A a B, B a A donde mi parámetro desconocido (el ruido) depende directamente de la temperatura. Si recibiera ruido de una fuente desconocida, no variaría con la temperatura. Además, puedo quitar la batería de la unidad bajo prueba y bajarla de temperatura y no ver ruido temporal.

— Voltaje pico