Kebisingan baterai alkaline bervariasi sesuai suhu

8

Saya memiliki baterai alkaline 9V yang terhubung ke jembatan resistif, yang mengeluarkan tegangan ke beberapa saluran analog. Saya sedang menguji saluran analog di atas suhu dan ketika suhu di bawah 10C saya perhatikan bahwa kebisingan tegangan baterai berubah dari> 1uV ke 10's mV. Karena saya selalu berpikir bahwa baterai adalah sumber yang stabil saya mulai memeriksa elektronik analog saya, hanya untuk menemukan itu adalah baterai.

Adakah yang menandai kebisingan ini atau suhu awalnya?
Dari mana asalnya (proses fisik apa)?
Apakah ini berlaku untuk semua kimia baterai (Apakah semua jenis baterai menjadi berisik dengan suhu yang lebih rendah)?

Sunting - Lebih banyak hal:
Ini bukan mekanik, seorang insinyur uji dan saya mengesampingkan itu. Elektronik tidak pada suhu yang sama, dan tidak didukung oleh baterai. Baterai adalah referensi. Ada sensor yang kami gunakan yang biasanya kami turunkan ke suhu yang terhubung dengan elektronik analog dan tidak ada masalah dengan noise dengan sensor biasa. Kebisingan datang dari baterai

Sunting - Kata terakhir: Jadi Anda tidak perlu membaca banyak komentar, saya akan memposting hasilnya di sini. Ketika saya bangun pagi ini saya pikir saya akan memperhatikan dewan beberapa pengguna dan memeriksa pengaturan mekanik. Saya menyarankan agar teknologi melihat semuanya dan mengulangi sambungan solder dengan solder bertimbal alih-alih timah bebas. Setelah itu semuanya bekerja dengan baik, saya memiliki kebisingan kurang dari 1uV turun di temp. Jadi saya minta maaf karena tidak mendengarkan komentar tentang mekanik.

batteries analog noise Lonjakan tegangan
sumber
Saya kira Anda memiliki koneksi yang secara mekanis marjinal, dan suhu yang lebih rendah menyebabkannya melonggarkan dan menjadi agak terputus-putus. Untungnya, baterai 9V murah. Ganti dan periksa koneksi Anda.
WhatRoughBeast
Pengamatan menarik +1. Dikatakan bahwa baterai tidak membuat kebisingan. Apa spektrum dugaan kebisingan Anda? Saya geuss bahwa Anda akan memeriksa dan memeriksa ulang pengaturan pengujian Anda. Jika kebisingan tetap ada maka Anda telah menemukan sesuatu.
Autistik
2
Bisa jadi impedansi efektif baterai Anda meningkat ketika suhu turun (kebanyakan tidak "suka" dingin) dan itu mungkin berarti peningkatan kebisingan. Tetapi pertama-tama singkirkan beberapa aspek lain dari percobaan Anda yang gagal!
Chris Stratton
1
Pertanyaan menarik. Saya pikir umumnya diasumsikan baterai bukan sumber kebisingan, tidak dikenal atau terbukti. Karena laju reaksi kimia berkurang dengan dingin, mungkin tidak mengejutkan bahwa statistik juga berubah - jika reaksinya eksotermik, maka pemanasan lokal dapat meningkatkan laju secara lokal -> LF noise. Jika demikian, saya berharap itu akan sangat tergantung pada kimia baterai serta suhu: Anda mungkin telah menemukan bidang penelitian yang menarik, dan saya akan tertarik dengan hasilnya!
Brian Drummond
1
Maafkan saya karena begitu keluar dari sini, tetapi, saya jujur ​​percaya ketika saya diajarkan bahwa sumber perlawanan pada suhu berapa pun bisa dan harus mengalami kebisingan termal. Apakah baterai berbeda karena sifat kimianya, mengimbangi kebisingan? Atau massa termal yang lebih besar yang tahan terhadap fluktuasi semacam itu? Atau...? Hanya penasaran.
Sean Boddy

Jawaban:

5

Mempertimbangkan bahwa variasi kebisingan dengan suhu adalah sifat dasar materi, semua hal (yang termasuk baterai alkaline) akan memiliki kebisingan yang sebanding dengan suhu. Semua hambatan memiliki noise termal, dan semua baterai memiliki resistansi, dan noise mereka lebih atau kurang dari resistansi internal. tegangan baterai (atau resistor) adalah:

Vnoise=4hfRΔvehfkT−1

di mana h adalah konstanta planck, f adalah frekuensi, R adalah resistansi internal sel atau sel, ∆v adalah bandwidth, k adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu dalam kelvin. Seperti yang Anda lihat, menurunkan suhu menurunkan kebisingan. Ini berlaku untuk semuanya, tidak ada yang terjadi di sini yang unik untuk baterai. Kebisingan ini disebut kebisingan Johnson-Nyquist .

Adapun kimia yang memiliki noise terendah, tidak ada perbedaan yang berarti dalam teori. Dalam praktiknya, sel Nikel-Kadmium memiliki noise tegangan terendah. Namun, ini murni karena kimia itu juga memiliki resistansi internal terendah. Seperti yang Anda lihat dari persamaan sebelumnya, menurunkan resistansi akan menurunkan noise pada semua. Sel-sel alkali memiliki resistansi internal yang relatif tinggi, sehingga tidak mengherankan jika mereka lebih ribut sebagai bahan kimia. Perhatikan bahwa ini berarti ukuran sel sama pentingnya dengan kebisingan tegangan seperti kimia sel. Sel yang lebih besar memiliki resistansi internal yang lebih rendah dan karenanya noise yang lebih rendah.

Tapi jangan mengambil kata-kata saya untuk itu. Ambil NIST. Mereka melakukan penelitian pada kebisingan baterai, dan ada grafik yang bagus untuk mereka yang ingin tahu dalam makalah itu, tetapi setelah pengukuran substansial sampai ke tingkat kebisingan termodinamika terbatas, mereka menyimpulkan bahwa kebisingan tegangan baterai pada dasarnya sesuai dengan diharapkan suara termal Johnson-Nyquist yang diharapkan dari resistansi internal sel.

Sunting: Whoops, saya lupa bahwa seluruh pertanyaannya adalah tentang peningkatan kebisingan setelah menjadi cukup dingin. Resistansi internal baterai meningkat saat menjadi dingin, dan berkurang saat menjadi hangat. Mekanisme ini bersifat kimiawi, dan kemungkinan dapat bervariasi antara berbagai konstruksi kimia yang sama. Secara umum, suhu dapat meningkatkan resistansi internal banyaksetelah Anda cukup dingin. Resistansi internal pada akhirnya ditentukan oleh laju reaksi kimia dapat terjadi, dan semakin dingin baterai, semakin lambat reaksi. Ini adalah taruhan yang aman untuk melihat sel atau resistansi internal kimia terhadap suhu, ini akan memberi Anda ide yang baik tentang seberapa hangat Anda perlu menjaga sel. Akan ada 'sweet spot' di mana kebisingannya paling rendah. Lebih hangat dan suhu meningkatkan kebisingan lebih dari resistansi internal berkurang, lebih dingin dan resistansi internal meningkat lebih dari kebisingan berkurang.

EDIT2: Kelihatannya seperti resistansi internal sel alkali berlipat ganda (atau setidaknya sel AA) naik dari 20 derajat C menjadi 10. Ini terlalu kecil untuk memperhitungkan beberapa urutan peningkatan kebisingan yang besarnya.

Maaf. Sesuatu yang aneh sedang terjadi. Efek termokopel mungkin?

metacollin
sumber
Saya pikir OP mengamati peningkatan kebisingan ketika suhu turun , daripada naik, dan khususnya lompatan yang ditandai ketika ambang 10 ° C dilewati.
Scanny
Anda benar-benar scany. Saya telah mengubah jawaban saya, meskipun saya tidak menganggapnya sebagai jawaban lagi. Terlalu panjang untuk dikomentari - mungkin bermanfaat tetapi tidak boleh mendapat suara. Saya tidak yakin apa yang menyebabkan perilaku aneh tersebut.
metacollin
1
Saya rasa ini adalah jawaban berharga karena membantu bingkai masalah dan memberikan latar belakang yang tepat untuk komentar lain yang salah yaitu "baterai tidak memiliki suara" dll mungkin tidak memberikan yang jawabannya tapi bergerak hal ke depan.
placeholder
1
Jadi, saya redid koneksi mekanis dengan timah bertimbal, dan kebisingan pada suhu rendah hilang, yang berarti baterai masih berfungsi seperti yang saya harapkan (dan Anda harapkan). Karena Anda paling memikirkan jawaban Anda (dan saya pikir ini adalah bagaimana baterai harus dibentuk sebelumnya), Anda mendapatkan hadiahnya.
Voltage Spike
1

Baterai memang memiliki noise, hanya saja noise termal dari ESR, yang hampir selalu lebih kecil dari sumber kebisingan lainnya. Apa yang dilewatkan di sini adalah bahwa dalam rentang suhu yang sangat singkat tingkat kebisingan melonjak 3-4 kali lipat. Lihat jawaban @metacollins untuk lebih jelasnya.

Bahkan dengan persamaan elektrokimia, efeknya jauh lebih besar daripada yang diharapkan, lihat persamaan Arrhenius, dll. Agar hal ini terjadi berarti energi aktivasi sistem dekat dengan 0,026 eV pada suhu kamar.

Perasaan spidey saya memberi tahu saya bahwa ini mungkin perubahan fisik pada baterai karena efek konstruksi. Jika baterai dibuat dengan struktur granular, seperti kontrak sel, seseorang dapat memiliki jalur konduksi yang sangat berbeda melalui sel, dengan transisi tiba-tiba dalam resistensi sel karena stres / tekanan dalam sel.

Jika hipotesis ini benar, orang akan mengharapkan peningkatan tingkat kebisingan memiliki komponen seperti berkedip (yaitu perilaku kebisingan 1 / f) dalam spektrum frekuensi itu. Jalur konduksi panjang cara yang melintasi batas butir biasanya memiliki tanda tangan semacam ini.

Selain itu Anda harus dapat mengukur perubahan sel dengan suhu.

Tentu saja jika ini adalah desain produksi Anda sekarang harus memverifikasi bahwa ini dapat direproduksi dan dengan demikian tentukan ini sebagai parameter dalam BOM Anda.

Jika tebakan saya benar maka ini mungkin sebenarnya hanya satu sel yang buruk.

placeholder
sumber
Saya memang menggunakan baterai yang berbeda dan beberapa langsung dari kotak dengan hasil yang sama. Saya akan melihat mekanik terakhir kali untuk mengesampingkan itu dan membuat semua orang (termasuk saya) bahagia.
Voltage Spike
0

Kebisingan lebih mungkin berasal dari jalur VCC sirkuit Anda tidak benar-benar baterai itu sendiri. Dengan peningkatan impedansi baterai, kebisingan VCC akan menjadi lebih umum karena tidak lagi memiliki jalur impendensi rendah asli ke ground, (melalui baterai). Ini seperti menempatkan resistor yang lebih tinggi dan lebih tinggi sesuai dengan baterai Anda. Untuk mengurangi kebisingan, Anda dapat menempatkan keramik bernilai sedang (sekitar 1uf) atau lebih langsung di baterai atau pada titik koneksi baterai PCB. Ini akan menurunkan impedansi baterai efektif yang dilihat oleh VCC dan akan mengurangi noise frekuensi yang lebih tinggi. Jika kebisingan adalah frekuensi yang lebih rendah maka tutup elektrolit juga dapat ditambahkan secara paralel dengan tutup keramik. Baterai dingin atau baterai yang habis sebagian dapat menunjukkan peningkatan impedansi seri.

Nedd
sumber
Kebisingan tidak datang dari jalur VCC (saya punya regulator yang benar-benar baik untuk memastikan ini tidak terjadi). Ditambah lagi jika itu berasal dari jalur VCC saya, kebisingan tidak akan responsif terhadap suhu. Resistor memiliki lebih sedikit noise dengan suhu, dan resistor tidak memiliki mV noise (kecuali jika Anda berbicara tentang resistensi lebih besar dari udara). Efek seebeek (thermocoupules) berkurang dengan suhu. Saya tahu saya bisa mengurangi kebisingan dengan topi. Saya juga tahu bahwa resistansi seri meningkat pada baterai.
Voltage Spike
Elektronik saya tidak menggunakan saluran VCC untuk daya
Voltage Spike
Yang saya tertarik adalah mengetahui persis mengapa ini terjadi, dan ketika itu terjadi dengan suhu (saya ingin tahu suhu saya harus khawatir tentang hal itu). Baterai adalah sumber kebisingan yang sangat rendah, tetapi tampaknya tidak dengan suhu, bagaimana jika ada kimia baterai yang lebih baik yang dapat saya gunakan untuk menguji pada suhu yang lebih rendah?
Voltage Spike
Apakah Anda tidak memiliki titik 9v dari jembatan yang terhubung ke beberapa jenis ADC titik vref tinggi atau rendah? Mereka mungkin tidak diberi label sebagai VCC tetapi mereka masih dapat mentransfer suara jika tidak dilewati dengan benar. Tidak ada alasan untuk baterai alkaline sederhana untuk menciptakan kebisingan aktif (terutama dalam kisaran mv), selain bekerja di dekat stasiun radio berkekuatan tinggi, creep termal / mekanis, atau beberapa jenis efek pasangan termal pada kontak. Coba tambahkan resistor nilai kecil ke terminal + dan - untuk menemukan sisi kebisingan yang dihasilkan. Mendeteksi tingkat kebisingan menggunakan probe diferensial.
Nedd
Jika Anda tidak mengerti eksperimennya, izinkan saya menjelaskannya lagi. Saya mengukur baterai dengan sirkuit analog dengan gain yang terhubung ke ADC. Tidak ada suara sampai saya mengambil baterai dan menurunkan suhu, ketika saya membawa kembali suhu kebisingan itu hilang. Ini adalah situasi pengujian A ke B, B ke A di mana parameter saya yang tidak diketahui (derau) bergantung langsung pada suhu. Jika saya mendapatkan noise dari sumber yang tidak dikenal, itu tidak akan berbeda dengan suhu. Selain itu, saya dapat mengeluarkan baterai dari unit yang sedang diuji dan menurunkan suhu dan tidak melihat kebisingan temp.
Voltage Spike