Уровень шума щелочной батареи зависит от температуры

У меня была 9В щелочная батарея, подключенная к резистивному мосту, который подавал напряжение на несколько аналоговых каналов. Я тестировал аналоговые каналы при перегреве, и когда он опустился ниже 10 ° С, я заметил, что шум напряжения батареи изменился с> 1 мкВ до 10 мВ. Поскольку я всегда думал, что батареи были стабильным источником, я начал проверять свою аналоговую электронику, только чтобы обнаружить, что это была батарея.

Кто-нибудь охарактеризовал этот шум или температуру, с которой он начинается?
Откуда это происходит (какие физические процессы)?
Относится ли это ко всем химическим составам батарей (все ли типы батарей шумят при более низких температурах)?

Редактировать - Больше вещей:
это не механика, инженер-тестировщик, и я исключил это. Электроника не имеет одинаковую температуру и не питается от батареи. Батарея является эталонной. Есть датчики, которые мы используем, которые обычно снижают температуру, к которой подключена аналоговая электроника, и с обычным датчиком проблем с шумом нет. Шум от батареи

Редактировать - последнее слово: чтобы вам не приходилось читать множество комментариев, я опубликую результаты здесь. Когда я проснулся этим утром, я подумал, что прислушаюсь к совету нескольких пользователей и дважды проверь механическую настройку. Я предложил, чтобы техник осмотрел вещи и переделал соединения припоя свинцовым припоем вместо свинца. После того, как все заработало, у меня был шум менее 1 мкВ при понижении температуры. Поэтому я прошу прощения за то, что не слушал комментарии о механике.

Учитывая, что изменение шума с температурой является фундаментальным свойством материи, все вещи (включая щелочные батареи) будут иметь шум, пропорциональный температуре. Все сопротивления имеют тепловой шум, и все батареи имеют сопротивление, и их шум больше или меньше от этого внутреннего сопротивления. Шум напряжения батареи (или резистора):

где h - постоянная Планка, f - частота, R - внутреннее сопротивление ячеек или ячейки, ∆v - ширина полосы, k - постоянная Больцмана, а T - температура в Кельвинах. Как видите, понижение температуры снижает уровень шума. Это верно для всего, здесь нет ничего уникального для батарей. Этот шум называется шумом Джонсона-Найквиста .

Что касается химии, которая имеет самый низкий уровень шума, то в теории нет существенных различий. На практике никель-кадмиевые элементы имеют самый низкий уровень напряжения шума. Тем не менее, это связано только с тем, что химия также имеет самое низкое внутреннее сопротивление. Как вы можете видеть из более раннего уравнения, понижение сопротивления понизит шум по всем. Щелочные клетки имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, поэтому неудивительно, что они будут более шумными с точки зрения химии. Обратите внимание, что это означает, что размер ячейки так же важен для шума напряжения, как и химия ячейки. Большие ячейки имеют более низкое внутреннее сопротивление и, следовательно, более низкий уровень шума.

Но не верьте мне на слово. Возьми NIST. Они провели исследование шума батарей, и в этой статье есть хорошие графики для любопытных, но после существенных измерений вплоть до термодинамически ограниченного минимального уровня шума, они пришли к выводу, что шум напряжения батареи по существу согласуется с ожидаемый тепловой шум Джонсона-Найквиста, который можно ожидать от внутреннего сопротивления ячейки.

Изменить: Ой, я забыл, что весь вопрос был о повышении шума, как только стало достаточно холодно. Внутреннее сопротивление батареи увеличивается при ее охлаждении и уменьшается при нагревании. Этот механизм имеет химическую природу и, вероятно, может варьироваться между различными конструкциями одного и того же химического состава. В целом, температура может увеличить внутреннее сопротивление намногокак только вы достаточно простудитесь. Внутреннее сопротивление в конечном итоге определяется скоростью химической реакции, и чем холоднее батарея, тем медленнее реакция. Можно с уверенностью взглянуть на внутреннее сопротивление клетки или химического состава в зависимости от температуры, это должно дать вам хорошее представление о том, как тепло вам нужно, чтобы держать клетку. Там будет «сладкое место», где шум самый низкий. Чем теплее и температура увеличивает шум, тем больше уменьшается внутреннее сопротивление, тем холоднее, а внутреннее сопротивление увеличивается больше, чем уменьшается шум.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2: Похоже, что внутреннее сопротивление щелочной ячейки удваивается (или, по крайней мере, ячейки АА) с 20 градусов Цельсия до 10. Это слишком мало, чтобы учесть увеличение шума на несколько порядков.

Сожалею. Что-то странное происходит. Эффекты термопары возможно?

Батареи действительно имеют шум, это просто тепловой шум ESR, который почти всегда меньше, чем у других источников шума. Чего здесь не хватает, так это того, что в очень коротком диапазоне температур уровень шума скачет на 3-4 порядка. См. Ответ @metacollins для более подробной информации.

Даже с учетом электрохимических уравнений это намного больший эффект, чем следовало ожидать, см. Уравнения Аррениуса и т. Д. Это должно означать, что энергия активации системы близка к 0,026 эВ при комнатной температуре.

Мое чувство пауков говорит мне, что это может быть физическое изменение батареи из-за строительных эффектов. Если батарея выполнена с зернистой структурой, поскольку элемент сжимается, можно иметь очень разные пути проводимости через элемент с резким переходом сопротивления элемента из-за напряжения / деформации внутри элемента.

Если эта гипотеза верна, можно ожидать, что повышенный уровень шума будет иметь мерцающие компоненты (то есть поведение шума 1 / f) в своем частотном спектре. Длинные пути проводимости, которые пересекают границы зерен, обычно имеют такую ​​подпись.

Кроме того, вы должны быть в состоянии измерить изменение сопротивления клеток с температурой.

Конечно, если это производственный проект, вы теперь должны будете убедиться, что это воспроизводимо, и таким образом указать это как параметр в своей спецификации.

Если мое предположение верно, то это может быть просто одна плохая ячейка.

Шум, скорее всего, исходит от линии VCC вашей цепи, а не от самой батареи. С увеличением сопротивления батареи шум VCC станет более распространенным, поскольку он больше не будет иметь первоначальный путь с низким сопротивлением к земле (через батарею). Это все равно что разместить все более и более высокое сопротивление на одной линии с аккумулятором. Чтобы уменьшить шум, вы можете поместить керамику средней величины (1 мкФ или около того) непосредственно через аккумулятор или в точках подключения аккумулятора на печатной плате. Это снизит эффективный импеданс батареи, видимый VCC, и уменьшит высокочастотный шум. Если шум имеет более низкую частоту, то параллельно с керамической крышкой также может быть добавлен электролитический колпачок. Холодная батарея или частично разряженная батарея могут демонстрировать повышенный последовательный импеданс.