El ruido de la batería alcalina varía con la temperatura

8

Tenía una batería alcalina de 9V conectada a un puente resistivo, que eliminó el voltaje de varios canales analógicos. Estaba probando los canales analógicos por encima de la temperatura 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)?
¿Se aplica esto a todos los componentes químicos de la batería (todos los tipos de batería se vuelven ruidosos a 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 están alimentados por la batería. La batería es una referencia. Hay sensores que utilizamos que normalmente reducimos a la temperatura a la que están conectados los componentes electrónicos analógicos y no hay ningún problema con el ruido en el sensor normal. El ruido viene de la batería

Editar - Palabra final: Para no tener que leer un montón de comentarios, publicaré el resultado aquí. Cuando me desperté esta mañana, pensé que prestaría atención al consejo de algunos usuarios y volvería a revisar la configuración mecánica. Sugerí que el técnico revise las cosas y rehaga 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 en temperatura. Así que me disculpo por no escuchar los comentarios sobre mecánica.

    
pregunta laptop2d

3 respuestas

5

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

donde h es la constante de planck, f es la frecuencia, R es la resistencia interna de la celda o celda, v es el ancho de banda, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados kelvin. Como puedes ver, bajar la temperatura baja el ruido. Esto es cierto para todo, no hay nada que suceda 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 la teoría. En la práctica, las celdas de níquel-cadmio tienen el ruido de voltaje más bajo. 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 reducción 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 una 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 células más grandes tienen menor resistencia interna y por lo tanto menor ruido.

Pero no confíes en mi palabra. Take NIST's. Hicieron un estudio sobre el ruido de las baterías, y hay bonitos gráficos para los curiosos. ese papel, pero después de mediciones sustanciales hasta el piso de ruido termodinámicamente limitado, llegaron a la conclusión de que el ruido de la batería está esencialmente de acuerdo con el ruido térmico esperado de Johnson-Nyquist que uno esperaría de la resistencia interna de la celda.

Editar: Vaya, olvidé que toda la pregunta era sobre el aumento del ruido una vez que se había enfriado 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 mucho una vez que se enfríe lo suficiente. La resistencia interna se determina en última instancia por la velocidad a la que puede producirse la reacción química y cuanto más fría es la batería, más lenta es la reacción. Es una apuesta segura observar la resistencia interna o la temperatura de una célula o química, esto debería darle una buena idea de qué tan caliente necesita mantener la célula. Va a haber un "punto dulce" donde el ruido es más bajo. Más cálido y la temperatura aumenta el ruido más que la resistencia interna, más frío y la resistencia interna aumenta más que el ruido.

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

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

    
respondido por el metacollin
1

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

Incluso teniendo en cuenta las ecuaciones electroquímicas, este es un efecto mucho mayor que el esperado, vea las ecuaciones de Arrhenius, etc. Esto significa que la energía de activación del sistema está cerca de los 0.026 eV a temperatura ambiente.

Mi sensatez 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, se pueden 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 aumento del nivel de ruido tenga componentes similares a parpadeos (es decir, un comportamiento de ruido de 1 / f) en su espectro de frecuencias. Las rutas de conducción largas en las que los límites de grano generalmente tienen 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 tendrá que verificar que sea reproducible y, por lo tanto, especificarlo como un parámetro en su lista de materiales.

Si mi suposición es correcta, entonces esto podría ser una célula defectuosa.

    
respondido por el placeholder
0

Es más probable que el ruido provenga de la línea VCC de su circuito y no de la batería en sí. A medida que aumenta la impedancia de la batería, el ruido del VCC será más frecuente, ya que ya no tendrá la ruta original de baja impedancia a tierra (a través de la batería). Esto es como colocar una resistencia más y más alta en línea con su batería. Para reducir el ruido, puede colocar una cerámica de valor moderado (1uf o menos) directamente sobre 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 de 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 agotada puede mostrar una mayor impedancia en serie.

    
respondido por el Nedd

Lea otras preguntas en las etiquetas