El ruido de las pilas alcalinas varía con la temperatura

Question

Tenía una pila alcalina de 9V conectada a un puente resistivo, que escalonaba la tensión a varios canales analógicos. Estaba probando los canales analógicos con la temperatura y cuando bajaba de 10C me di cuenta de que el ruido del voltaje de la pila pasaba de >1uV a 10's mV. Como siempre he pensado que las baterías eran una fuente estable, empecé a comprobar mi electrónica analógica, para descubrir que era la batería.

¿Alguien ha caracterizado este ruido o la temperatura a la que comienza?
¿De dónde procede (qué procesos físicos)?
¿Esto se aplica a todos los tipos de baterías (todos los tipos de baterías se vuelven ruidosos con temperaturas más bajas)?

Editar - Más cosas:
Esto no es mecánico, un ingeniero de pruebas y yo descartamos eso. La electrónica no está a la misma temperatura, y no está alimentada por la batería. La batería es una referencia. Hay sensores que usamos que normalmente bajan la temperatura a la que se conecta la electrónica analógica y no hay problema de ruido con el sensor normal. El ruido viene de la batería

Editar - La última palabra: Para que no tengas que leer un montón de comentarios, publicaré el resultado aquí. Cuando me levanté esta mañana pensé en hacer caso al consejo de algunos usuarios y volver a comprobar la configuración mecánica. Le sugerí al técnico que revisara las cosas y rehiciera las soldaduras con soldadura con plomo en lugar de la libre de plomo. Después de eso las cosas funcionaron muy bien, tuve menos de 1uV de ruido al bajar la temperatura. Así que me disculpo por no escuchar los comentarios sobre la mecánica.

Answer 1

Teniendo en cuenta que la variación del ruido con la temperatura es una propiedad fundamental de la materia, todas las cosas (lo que incluye a las pilas alcalinas) tendrán un ruido proporcional a la temperatura. Todas las resistencias tienen ruido térmico, y todas las pilas tienen resistencia, y su ruido proviene más o menos de esa resistencia interna. El ruido de tensión de una pila (o resistencia) es: $$ V_{noise}=\sqrt{\frac{4hfR\Delta v}{e^{\frac{hf}{kT}} -1}} $$

donde h es la constante de Planck, f es la frecuencia, R es la resistencia interna de las células o celdas, v es el ancho de banda, k es la constante de Boltzmann, y T es la temperatura en kelvin. Como se puede ver, al bajar la temperatura disminuye el ruido. Esto es válido para todo, no hay nada que ocurra aquí de forma exclusiva para las baterías. Este ruido se llama Ruido Johnson-Nyquist .

En cuanto a qué química tiene el menor ruido, en teoría no hay ninguna diferencia significativa. En la práctica, Las pilas de níquel-cadmio tienen el menor ruido de tensión. Sin embargo, esto se debe puramente a que esa química también tiene la menor resistencia interna. Como se puede ver en la ecuación anterior, si se reduce la resistencia, se reducirá el ruido en general. Las pilas 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 del voltaje como la química de la celda. Las pilas más grandes tienen menor resistencia interna y, por tanto, menor ruido.

Pero no te fíes de mi palabra. Toma la del NIST. Hicieron un estudio sobre el ruido de las baterías, y hay bonitos gráficos para los curiosos en ese documento, pero después de mediciones sustanciales hasta el piso de ruido limitado termodinámicamente, concluyeron que el ruido del voltaje de la batería está esencialmente de acuerdo con el ruido térmico esperado de Johnson-Nyquist que uno esperaría de la resistencia interna de la célula.

Editar: Ups, se me olvidaba que toda la pregunta se refería a que el ruido aumentaba una vez que se enfriaba lo suficiente. La resistencia interna de una batería aumenta cuando se enfría, y disminuye cuando 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 un montón una vez que se enfría lo suficiente. La resistencia interna viene determinada en última instancia por la velocidad a la que puede producirse la reacción química, y cuanto más fría esté la pila, más lenta será la reacción. Es una apuesta segura mirar la resistencia interna de una célula o química frente a la temperatura, esto debería darle una buena idea de lo caliente que necesita mantener la célula. Habrá un "punto dulce" en el que el ruido sea menor. Si se calienta, la temperatura aumenta el ruido más que la resistencia interna, y si se enfría, la resistencia interna aumenta más que el ruido.

EDIT2: Parece que la resistencia interna de una pila alcalina se duplica (o al menos de una pila AA) al pasar 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 está pasando. ¿Efectos del termopar quizás?

Answer 2

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

Incluso teniendo en cuenta las ecuaciones electroquímicas, este efecto es mucho mayor de lo que cabría esperar, véase las ecuaciones de Arrhenius, etc. Para que esto ocurra significa que la energía de activación del sistema está cerca de los 0,026 eV a temperatura ambiente.

Mi sentido arácnido me dice que podría tratarse de un cambio físico en la batería por efectos de la construcción. Si la batería está hecha con una estructura granular, al contraerse la celda se pueden tener caminos de conducción muy diferentes a través de la misma, con una transición abrupta en la resistencia de la celda debido a la tensión/deformación dentro de la misma.

Si esta hipótesis es correcta, cabría esperar que el aumento del nivel de ruido tuviera componentes similares al parpadeo (es decir, un comportamiento de ruido 1/f) en su espectro de frecuencias. Las vías de conducción largas que cruzan los límites de los granos suelen tener este tipo de firma.

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

Por supuesto, si se trata de un diseño de producción, ahora tendrá que verificar que esto es reproducible y, por lo tanto, especificar esto como un parámetro en su lista de materiales.

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

Answer 3

Es más probable que el ruido provenga de la línea VCC de tu circuito y no de la propia batería. Con el aumento de la impedancia de la batería, el ruido VCC será más prevalente, ya que ya no tendría la ruta original de baja impendencia a tierra, (a través de la batería). Esto es como colocar una resistencia cada vez más alta en línea con la batería. Para reducir el ruido podría colocar una cerámica de valor moderado (1uf o así) 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 alta frecuencia. Si el ruido es de menor frecuencia, también se puede añadir un tapón electrolítico en paralelo con el tapón cerámico. Una batería fría o una batería parcialmente agotada puede mostrar una mayor impedancia en serie.