Il rumore della batteria alcalina varia a seconda della temperatura

Avevo una batteria alcalina da 9 V collegata a un ponte resistivo, che ha aumentato la tensione a diversi canali analogici. Stavo testando i canali analogici a temperatura eccessiva e quando è scesa sotto i 10 ° C ho notato che il rumore della tensione della batteria è passato da> 1 uV a 10 mV. Dato che ho sempre pensato che le batterie fossero una fonte stabile, ho iniziato a controllare i miei dispositivi elettronici analogici, solo per scoprire che era la batteria.

Qualcuno ha caratterizzato questo rumore o la temperatura a cui inizia?
Da dove viene (quali processi fisici)?
Questo vale per tutti i prodotti chimici della batteria (tutti i tipi di batteria diventano rumorosi con basse temperature)?

Modifica - Altre cose:
questo non è meccanico, un ingegnere di test e l'ho escluso. I componenti elettronici non sono alla stessa temperatura e non sono alimentati dalla batteria. La batteria è un riferimento. Ci sono sensori che usiamo che normalmente portiamo alla temperatura a cui sono collegati i componenti elettronici analogici e non c'è nessun problema con il rumore con il sensore normale. Il rumore proviene dalla batteria

Modifica - Parola finale: quindi non devi leggere un sacco di commenti, posterò il risultato qui. Quando mi sono svegliato stamattina, ho pensato di seguire il consiglio di alcuni utenti e di ricontrollare la configurazione meccanica. Ho suggerito che la tecnologia guardasse le cose e ripetesse i giunti di saldatura con saldatura al piombo anziché senza piombo. Dopo che le cose hanno funzionato alla grande, ho avuto meno di 1 uV di rumore che scende in temperatura. Quindi mi scuso per non aver ascoltato i commenti su Mechanical.

Considerando che la variazione del rumore con la temperatura è una proprietà fondamentale della materia, tutte le cose (che includono batterie alcaline) avranno un rumore proporzionale alla temperatura. Tutte le resistenze hanno rumore termico e tutte le batterie hanno resistenza e il loro rumore è più o meno da quella resistenza interna. Il rumore di tensione di una batteria (o resistenza) è:

dove h è la costante di Planck, f è la frequenza, R è la resistenza interna delle cellule o cella, ∆v è la larghezza di banda, k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura in kelvin. Come puoi vedere, abbassando la temperatura si abbassa il rumore. Questo è vero per tutto, non sta succedendo nulla di unico qui per le batterie. Questo rumore si chiama rumore di Johnson-Nyquist .

Per quanto riguarda quale chimica ha il rumore più basso, non vi è alcuna differenza significativa in teoria. In pratica, le celle al nichel-cadmio presentano il rumore di tensione più basso. Tuttavia, questo è puramente dovuto al fatto che la chimica ha anche la più bassa resistenza interna. Come puoi vedere dall'equazione precedente, abbassando la resistenza si abbasserà il rumore su tutto. Le cellule alcaline hanno una resistenza interna relativamente alta, quindi non sorprende che sarebbero più rumorose come chimica. Si noti che ciò significa che le dimensioni delle celle sono importanti per il rumore di tensione quanto la chimica delle celle. Le celle più grandi hanno una resistenza interna inferiore e quindi un rumore inferiore.

Ma non crederci sulla parola. Prendi i NIST. Hanno fatto uno studio sul rumore delle batterie, e ci sono dei bei grafici per i curiosi in quel documento, ma dopo misurazioni sostanziali fino al rumore termodinamico limitato, hanno concluso che il rumore della tensione della batteria è essenzialmente in accordo con il previsto rumore termico Johnson-Nyquist che ci si aspetterebbe dalla resistenza interna della cellula.

Modifica: Spiacenti, ho dimenticato che l'intera domanda riguardava l'aumento del rumore una volta che faceva abbastanza freddo. La resistenza interna di una batteria aumenta quando fa freddo e diminuisce quando si riscalda. Questo meccanismo è di natura chimica e probabilmente potrebbe variare tra le diverse costruzioni della stessa chimica. In generale, la temperatura può aumentare la resistenza interna moltouna volta che hai abbastanza freddo. La resistenza interna è in definitiva determinata dalla velocità con cui può verificarsi la reazione chimica e più fredda è la batteria, più lenta è la reazione. È una scommessa sicura guardare la resistenza interna di una cellula o chimica rispetto alla temperatura, questo dovrebbe darti una buona idea di quanto è necessario caldo per mantenere la cellula. Ci sarà un "punto debole" in cui il rumore è più basso. Più caldo e la temperatura aumenta il rumore più della diminuzione della resistenza interna, più fredda e la resistenza interna aumenta più della diminuzione del rumore.

EDIT2: sembra che la resistenza interna di una cellula alcalina raddoppi (o almeno una cellula AA) da 20 gradi C a 10. Questo è troppo piccolo per tenere conto dell'aumento del rumore di diversi ordini di grandezza.

Scusate. Sta succedendo qualcosa di strano. Forse gli effetti della termocoppia?

Le batterie hanno rumore, è solo il rumore termico dell'ESR, che è quasi sempre inferiore rispetto ad altre fonti di rumore. Quello che ci manca qui è che in un arco di temperatura molto breve il livello di rumore salta di 3-4 ordini di grandezza. Vedi la risposta di @metacollins per maggiori dettagli.

Anche date equazioni elettrochimiche, questo è un effetto molto più grande di quanto ci si aspetterebbe, vedere equazioni di Arrhenius ecc. Perché ciò accada significa che l'energia di attivazione del sistema è vicina allo 0,026 eV a temperatura ambiente.

Il mio senso spidey mi dice che questo potrebbe essere un cambiamento fisico nella batteria a causa di effetti di costruzione. Se la batteria è realizzata con una struttura granulare, poiché la cellula si contrae, si possono avere percorsi di conduzione molto diversi attraverso la cellula, con una brusca transizione nella resistenza della cellula a causa di stress / deformazione all'interno della cellula.

Se questa ipotesi è corretta, ci si aspetterebbe che il livello di rumore aumentato abbia componenti simili allo sfarfallio (cioè comportamento del rumore 1 / f) nel suo spettro di frequenza. I percorsi di conduzione lunghi che attraversano i confini del grano hanno in genere questo tipo di firma.

Inoltre, dovresti essere in grado di misurare il cambiamento di resistenza delle cellule con la temperatura.

Naturalmente, se si tratta di un progetto di produzione, dovrai verificare che sia riproducibile e quindi specificarlo come parametro nella distinta componenti.

Se la mia ipotesi è corretta, questa potrebbe essere solo una brutta cellula.

È più probabile che il rumore provenga dalla linea VCC del circuito e non dalla batteria stessa. Con un'impedenza della batteria crescente, il rumore VCC diventerà più diffuso in quanto non avrebbe più il percorso originale a bassa impendenza verso terra, (attraverso la batteria). È come posizionare una resistenza sempre più alta in linea con la batteria. Per ridurre il rumore, è possibile posizionare una ceramica di valore moderato (circa 1uf) direttamente sulla batteria o nei punti di connessione della batteria PCB. Ciò ridurrebbe l'impedenza effettiva della batteria vista da VCC e dovrebbe ridurre il rumore di frequenza più elevata. Se il rumore ha una frequenza inferiore, è possibile aggiungere anche un cappuccio elettrolitico in parallelo con il cappuccio in ceramica. Una batteria fredda o parzialmente scarica può mostrare una maggiore impedenza in serie.