Das Geräusch der alkalischen Batterie variiert mit der Temperatur

Ich hatte eine 9-V-Alkalibatterie an eine Widerstandsbrücke angeschlossen, die die Spannung auf mehrere analoge Kanäle erhöhte. Ich habe die analogen Kanäle über der Temperatur getestet und als sie unter 10 ° C fielen, bemerkte ich, dass das Batteriespannungsrauschen von> 1 uV auf 10 mV stieg. Da ich immer gedacht habe, dass Batterien eine stabile Quelle sind, begann ich meine analoge Elektronik zu überprüfen, nur um festzustellen, dass es sich um die Batterie handelte.

Hat jemand dieses Geräusch oder die Temperatur, bei der es beginnt, charakterisiert?
Woher kommt es (welche physikalischen Prozesse)?
Gilt dies für alle Batteriechemien (Werden alle Batterietypen bei niedrigeren Temperaturen laut)?

Bearbeiten - Mehr Zeug:
Dies ist nicht mechanisch, ein Testingenieur und ich haben das ausgeschlossen. Die Elektronik hat nicht die gleiche Temperatur und wird nicht von der Batterie gespeist. Die Batterie ist eine Referenz. Es gibt Sensoren, die wir verwenden und die wir normalerweise auf die Temperatur reduzieren, an die die analoge Elektronik angeschlossen ist, und es gibt kein Problem mit Rauschen mit dem normalen Sensor. Das Geräusch kommt von der Batterie

Bearbeiten - Letztes Wort: Damit Sie nicht viele Kommentare durchlesen müssen, werde ich das Ergebnis hier veröffentlichen. Als ich heute Morgen aufwachte, dachte ich, ich würde den Rat einiger Benutzer beachten und das mechanische Setup überprüfen. Ich schlug vor, dass der Techniker die Dinge überprüft und die Lötstellen mit bleihaltigem Lot anstelle des bleifreien Lots wiederholt. Nachdem die Dinge großartig funktionierten, hatte ich weniger als 1uV Rauschen in der Temperatur. Ich entschuldige mich dafür, dass ich nicht auf Kommentare zu Mechanik gehört habe.

Dabei ist h die Plancksche Konstante, f die Frequenz, R der Innenwiderstand der Zellen oder der Zelle, ∆v die Bandbreite, k die Boltzmannsche Konstante und T die Temperatur in Kelvin. Wie Sie sehen können, verringert das Verringern der Temperatur das Geräusch. Dies gilt für alles, hier passiert nichts, was nur für Batterien gilt. Dieses Rauschen wird als Johnson-Nyquist-Rauschen bezeichnet .

Welche Chemie das geringste Rauschen aufweist, gibt es in der Theorie keinen bedeutenden Unterschied. In der Praxis weisen Nickel-Cadmium-Zellen das geringste Spannungsrauschen auf. Dies liegt jedoch nur daran, dass die Chemie auch den niedrigsten Innenwiderstand aufweist. Wie Sie aus der früheren Gleichung sehen können, wird durch Verringern des Widerstands das Rauschen insgesamt verringert. Alkalische Zellen haben einen relativ hohen Innenwiderstand, so dass es nicht verwunderlich ist, dass sie als Chemie lauter sind. Beachten Sie, dass dies bedeutet, dass die Zellgröße für das Spannungsrauschen genauso wichtig ist wie die Zellchemie. Größere Zellen haben einen geringeren Innenwiderstand und daher ein geringeres Rauschen.

Aber nimm mein Wort nicht dafür. Nimm NISTs. Sie haben eine Studie über das Rauschen von Batterien durchgeführt, und es gibt schöne Grafiken für Neugierige in diesem Artikel, aber nach umfangreichen Messungen bis hinunter zum thermodynamisch begrenzten Grundrauschen kamen sie zu dem Schluss, dass das Rauschen der Batteriespannung im Wesentlichen mit dem übereinstimmt erwartetes Johnson-Nyquist-thermisches Rauschen, das man vom Innenwiderstand der Zelle erwarten würde.

Edit: Hoppla, ich habe vergessen, dass die ganze Frage nach dem Geräusch war, das zunahm, sobald es kalt genug wurde. Der Innenwiderstand einer Batterie nimmt zu, wenn sie kalt wird, und nimmt ab, wenn sie warm wird. Dieser Mechanismus ist chemischer Natur und kann wahrscheinlich zwischen verschiedenen Konstruktionen derselben Chemie variieren. Im Allgemeinen kann, die Temperatur der Innenwiderstand erhöhen vielsobald dir kalt genug wird. Der Innenwiderstand wird letztendlich durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die chemische Reaktion stattfinden kann. Je kälter die Batterie ist, desto langsamer ist die Reaktion. Es ist eine sichere Sache, den Innenwiderstand einer Zelle oder Chemie im Verhältnis zur Temperatur zu betrachten. Dies sollte Ihnen eine gute Vorstellung davon geben, wie warm Sie die Zelle halten müssen. Es wird einen "Sweet Spot" geben, an dem der Lärm am geringsten ist. Wärmer und die Temperatur erhöht das Geräusch mehr als der Innenwiderstand abnimmt, kälter und der Innenwiderstand steigt mehr als das Geräusch abnimmt.

EDIT2: Es sieht so aus, als würde sich der Innenwiderstand einer alkalischen Zelle verdoppeln (oder zumindest eine AA-Zelle) und von 20 ° C auf 10 ° C steigen. Dies ist viel zu klein, um den Anstieg des Rauschens um mehrere Größenordnungen zu erklären.

Es tut uns leid. Etwas Seltsames ist los. Thermoelementeffekte vielleicht?

Batterien haben Geräusche, es ist nur das thermische Geräusch des ESR, das fast immer geringer ist als bei anderen Geräuschquellen. Was hier übersehen wird, ist, dass der Geräuschpegel in einer sehr kurzen Temperaturspanne um 3-4 Größenordnungen springt. Weitere Informationen finden Sie unter @ metacollins Antwort.

Selbst bei elektrochemischen Gleichungen ist dieser Effekt weitaus größer als erwartet, siehe Arrhenius-Gleichungen usw. Dies bedeutet, dass die Aktivierungsenergie des Systems bei Raumtemperatur nahe bei 0,026 eV liegt.

Mein Spidey Sense sagt mir, dass dies eine physische Veränderung der Batterie aufgrund von Konstruktionseffekten sein könnte. Wenn die Batterie körnig aufgebaut ist und sich die Zelle zusammenzieht, kann man sehr unterschiedliche Leitungswege durch die Zelle haben, mit einem abrupten Übergang des Widerstands der Zelle aufgrund von Spannung / Dehnung innerhalb der Zelle.

Wenn diese Hypothese richtig ist, würde man erwarten, dass der erhöhte Rauschpegel flackerartige Komponenten (dh 1 / f-Rauschverhalten) in seinem Frequenzspektrum aufweist. Lange Leitungswege, die Korngrenzen überschreiten, haben typischerweise diese Art von Signatur.

Zusätzlich sollten Sie in der Lage sein, die Widerstandsänderung der Zellen mit der Temperatur zu messen.

Wenn es sich um ein Produktionsdesign handelt, müssen Sie jetzt überprüfen, ob dies reproduzierbar ist, und dies daher als Parameter in Ihrer Stückliste angeben.

Wenn meine Vermutung richtig ist, könnte dies tatsächlich nur eine schlechte Zelle sein.

Das Rauschen kommt eher von der VCC-Leitung Ihrer Schaltung, nicht wirklich von der Batterie selbst. Mit zunehmender Batterieimpedanz wird das VCC-Rauschen stärker, da es nicht mehr den ursprünglichen Pfad mit niedriger Impedanz zur Erde (durch die Batterie) aufweist. Dies ist so, als würden Sie einen immer höheren Widerstand in Reihe mit Ihrer Batterie schalten. Um das Rauschen zu reduzieren, können Sie eine Keramik mit mittlerem Wert (etwa 1uf) direkt über der Batterie oder an den Anschlusspunkten der Leiterplattenbatterie platzieren. Dies würde die effektive Batterieimpedanz verringern, die von VCC gesehen wird, und sollte das höherfrequente Rauschen verringern. Wenn das Rauschen eine niedrigere Frequenz ist, kann parallel zur Keramikkappe auch eine Elektrolytkappe hinzugefügt werden. Eine kalte Batterie oder eine teilweise entladene Batterie kann eine erhöhte Serienimpedanz aufweisen.