Уровень шума щелочной батареи зависит от температуры

8

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.

Скачок напряжения
источник
Я предполагаю, что у вас есть соединение, которое является механически маргинальным, и более низкая температура вызывает его ослабление и некоторую прерывистость. К счастью, аккумуляторы на 9 В дешевы. Замените его и проверьте ваши соединения.
WhatRoughBeast
Интересное наблюдение +1. Говорят, что батареи не шумят. Каковы спектры вашего предполагаемого шума? Я обещаю, что вы проверите и перепроверьте свои тестовые настройки. Если шум не исчезнет, ​​то вы что-то обнаружили.
Аутист
2
Может случиться так, что эффективный импеданс вашей батареи увеличивается при падении температуры (большинству не нравится холод), и это может означать увеличение шума. Но сначала исключите какой-то другой аспект вашего эксперимента провал!
Крис Страттон
1
Интересный вопрос. Я думаю, что обычно предполагается, что батареи не являются источниками шума, не известны или проверены. Поскольку скорость химической реакции уменьшается с холодом, возможно, неудивительно, что статистика тоже меняется - если реакция экзотермическая, то локальное нагревание может локально увеличить скорость -> НЧ шум. Если это так, я ожидал бы, что это будет очень зависеть от химического состава батареи, а также от температуры: вы, возможно, наткнулись на интересную область исследований, и я был бы заинтересован в результатах!
Брайан Драммонд
1
Прости меня за то, что я здесь так не в себе, но я искренне верил, поскольку меня учили, что любой источник сопротивления при любой температуре может и должен испытывать тепловой шум. Отличаются ли батареи из-за их химического состава, компенсирующего шум? Или большая тепловая масса, которая устойчива к таким колебаниям? Или...? Просто любопытно.
Шон Бодди

Ответы:

5

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):

Vnoise=4hfRΔvehfkT1

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?

metacollin
источник
Я считаю , что ОП наблюдает увеличение шума , так как температура пошла вниз , а не вверх, а в частности , был принят отмечен скачок в качестве порогового значения 10 ° C.
сканни
Ты абсолютно прав, сканни. Я исправил свой ответ, хотя не думаю, что он действительно считается ответом. Это слишком долго для комментария - это может быть полезно, но не должно быть никаких голосов. Я не уверен, что вызывает такое странное поведение.
metacollin
1
Я думаю , что это стоит ответ , поскольку это помогает кадру проблемы и обеспечивает надлежащий фон для других комментариев , которые неправильно т.е. «батареи не имеют шума» и т.д. Это не может дать в ответ , но он двигается вперед вещь.
заполнитель
1
Итак, я переделал механическое соединение с помощью этилированного припоя, и шум при низких температурах исчез, что означает, что батареи все еще работают так, как я ожидал (и вы ожидаете). Поскольку вы максимально продумали свой ответ (и я полагаю, что именно так батареи должны преформироваться), вы получите приз.
Пик напряжения
1

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.

заполнитель
источник
Я использовал разные батареи и некоторые прямо из коробки с тем же результатом. Я собираюсь взглянуть на механику в последний раз, чтобы исключить это и сделать всех (включая меня) счастливыми.
Напряжение Спайк
0

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.

Nedd
источник
Шум не исходит от линии VCC (у меня есть действительно хорошие регуляторы, чтобы этого не произошло). Кроме того, если бы он исходил от моей линии VCC, шум не будет реагировать на температуру. Резисторы имеют меньший шум с температурой, а резисторы не имеют мВ шума (если вы не говорите об сопротивлениях, превышающих воздушные). Эффект seebeek (термопары) уменьшается с температурой. Я знаю, что могу уменьшить шум с помощью заглушек. Я также знаю, что сопротивление батареи увеличивается в батарее.
Напряжение Спайк
Моя электроника не использует линию VCC для питания
Напряжение Spike
Что меня интересует, так это точно знать, почему это происходит, и когда это происходит с температурой (я хочу знать температуру, которую я должен беспокоиться об этом). Батареи являются отличным источником низкого шума, но, очевидно, не с температурой, что, если есть лучшая химия батарей, которую я мог бы использовать для тестирования при более низкой температуре?
Пик напряжения
Разве у вас нет точек 9v моста, подключенных к какому-либо типу ADC с высокой или низкой VREF? Они не могут быть помечены как VCC, но они все равно могут передавать шум, если их не обойти должным образом. Нет никакой причины, по которой простая щелочная батарея может создавать активный шум (особенно в диапазоне средних частот), кроме работы вблизи мощных радиостанций, теплового / механического ползучести или какого-либо типа воздействия тепловых пар на контакты. Попробуйте добавить резисторы небольшого значения к клеммам + и -, чтобы определить, с какой стороны генерируется шум. Определите уровень шума, используя дифференциальный датчик.
Недд
Если вы не понимаете эксперимент, позвольте мне объяснить еще раз. Я измеряю батарею с помощью аналоговой схемы с усилением, подключенным к АЦП. Шума не будет, пока я не возьму батарею и не понизлю температуру, когда я восстановлю температуру, шум исчезнет. Это тестовая ситуация от A до B, от B до A, где мой неизвестный параметр (шум) напрямую зависит от температуры. Если бы я получал шум из неизвестного источника, он не менялся бы в зависимости от температуры. Кроме того, я могу вынуть батарею из тестируемого устройства, снизить ее температуру и не видеть никакого временного шума.
Напряжение Спайк