O ruído da bateria alcalina varia com a temperatura

Eu tinha uma bateria alcalina de 9V conectada a uma ponte resistiva, que aumentou a tensão para vários canais analógicos. Eu estava testando os canais analógicos sobre temperatura e, quando ficou abaixo de 10 ° C, notei que o ruído da tensão da bateria passou de> 1uV a 10 mV. Como eu sempre pensei que as baterias eram uma fonte estável, comecei a verificar minha eletrônica analógica, apenas para descobrir que era a bateria.

Alguém caracterizou esse ruído ou a temperatura em que começa?
De onde vem (quais processos físicos)?
Isso se aplica a todas as substâncias químicas da bateria (todos os tipos de bateria ficam barulhentos com temperaturas mais baixas)?

Editar - Mais coisas:
Isso não é mecânico, um engenheiro de teste e eu descartei isso. Os componentes eletrônicos não estão na mesma temperatura e não são alimentados pela bateria. A bateria é uma referência. Existem sensores que usamos que normalmente reduzem a temperatura à qual os componentes eletrônicos analógicos estão conectados e não há problema com ruídos com o sensor comum. O barulho vem da bateria

Editar - Palavra final: para que você não precise ler muitos comentários, postarei o resultado aqui. Quando acordei esta manhã, pensei em atender o conselho de alguns usuários e verificar novamente a configuração mecânica. Sugeri que os técnicos examinassem as coisas e refizessem as juntas de solda com solda com chumbo, em vez de sem chumbo. Depois que as coisas funcionaram muito bem, tive menos de 1uV de ruído diminuindo na temperatura. Peço desculpas por não ter ouvido comentários sobre mecânica.

Considerando que a variação de ruído com a temperatura é uma propriedade fundamental da matéria, todas as coisas (que incluem baterias alcalinas) terão ruído proporcional à temperatura. Todas as resistências têm ruído térmico, e todas as baterias têm resistência, e seu ruído é mais ou menos dessa resistência interna. O ruído de tensão de uma bateria (ou resistor) é:

onde h é a constante de Planck, f é a frequência, R é a resistência interna das células ou células, ∆v é a largura de banda, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura em Kelvin. Como você pode ver, abaixar a temperatura diminui o ruído. Isso é verdade para tudo, não há nada acontecendo aqui exclusivo para as baterias. Esse ruído é chamado de ruído Johnson-Nyquist .

Quanto à química com o menor ruído, não há diferença significativa na teoria. Na prática, as células de níquel-cádmio apresentam o menor ruído de tensão. No entanto, isso se deve apenas à química também ter a menor resistência interna. Como você pode ver na equação anterior, diminuir a resistência reduzirá o ruído em geral. As células alcalinas têm uma resistência interna relativamente alta, portanto, não é de surpreender que sejam mais ruidosas como química. Observe que isso significa que o tamanho da célula é tão importante para o ruído de tensão quanto a química da célula. As células maiores têm menor resistência interna e, portanto, menor ruído.

Mas não aceite minha palavra. Pegue o NIST. Eles fizeram um estudo sobre o ruído das baterias e existem bons gráficos para os curiosos nesse artigo, mas após medições substanciais até o piso de ruído termodinamicamente limitado, eles concluíram que o ruído da tensão da bateria está essencialmente de acordo com o o ruído térmico esperado de Johnson-Nyquist seria esperado da resistência interna da célula.

Edit: Opa, eu esqueci que toda a pergunta era sobre o ruído aumentar uma vez que esfriou o suficiente. A resistência interna da bateria aumenta à medida que esfria e diminui à medida que esquenta. Esse mecanismo é de natureza química e provavelmente pode variar entre diferentes construções da mesma química. Em geral, a temperatura pode aumentar a resistência interna muitouma vez que você esfrie o suficiente. A resistência interna é finalmente determinada pela taxa em que a reação química pode ocorrer, e quanto mais fria a bateria, mais lenta é a reação. É uma aposta segura olhar para a resistência interna de uma célula ou química versus temperatura, isso deve lhe dar uma boa idéia de quão quente você precisa para manter a célula. Haverá um "ponto ideal" onde o ruído é mais baixo. Mais quente e a temperatura aumenta o ruído mais do que a resistência interna diminui, mais frio e a resistência interna aumenta mais do que o ruído diminui.

EDIT2: Parece que a resistência interna de uma célula alcalina dobra (ou pelo menos uma célula AA) indo de 20 graus C a 10. Isso é muito pequeno para explicar as várias ordens de magnitude que aumentam o ruído.

Desculpa. Algo estranho está acontecendo. Efeitos termopares, talvez?

As baterias têm ruído, é apenas o ruído térmico do ESR, que quase sempre é menor do que outras fontes de ruído. O que está faltando aqui é que, em um intervalo de temperatura muito curto, o nível de ruído salta de 3 a 4 ordens de magnitude. Veja @metacollins answer para mais detalhes.

Mesmo dadas equações eletroquímicas, esse é um efeito muito maior do que o esperado, consulte as equações de Arrhenius etc. Para que isso aconteça, significa que a energia de ativação do sistema está próxima dos 0,026 eV à temperatura ambiente.

Meu senso de aranha me diz que isso pode ser uma mudança física na bateria devido a efeitos de construção. Se a bateria for fabricada com uma estrutura granular, à medida que a célula se contrai, pode-se ter caminhos de condução muito diferentes através da célula, com uma transição abrupta na resistência da célula devido ao estresse / tensão dentro da célula.

Se esta hipótese estiver correta, seria de esperar que o nível de ruído aumentado tivesse componentes semelhantes a tremulação (ou seja, 1 / f comportamento de ruído) em seu espectro de frequências. Caminhos de condução longos de maneiras que ultrapassam os limites de grãos geralmente têm esse tipo de assinatura.

Além disso, você deve poder medir a mudança de resistência das células com a temperatura.

Obviamente, se esse é um design de produção, você deverá verificar se isso é reproduzível e, portanto, especificar isso como um parâmetro na sua BOM.

Se meu palpite estiver certo, então isso pode ser apenas uma célula ruim.

É mais provável que o ruído venha da linha VCC do seu circuito e não da bateria em si. Com uma crescente impedância da bateria, o ruído do VCC se tornará mais prevalente, pois não teria mais o caminho de baixa iminência original para o terra (através da bateria). É como colocar um resistor cada vez mais alto alinhado com a bateria. Para reduzir o ruído, você pode colocar um valor moderado de cerâmica (1uf ou mais) diretamente na bateria ou nos pontos de conexão da bateria da PCB. Isso reduziria a impedância efetiva da bateria vista pelo VCC e reduziria o ruído de frequência mais alta. Se o ruído for de frequência mais baixa, uma tampa eletrolítica também pode ser adicionada em paralelo com a tampa de cerâmica. Uma bateria fria ou parcialmente descarregada pode mostrar maior impedância em série.