Le bruit des piles alcalines varie en fonction de la température

J'avais une pile alcaline 9V connectée à un pont résistif, qui augmentait la tension sur plusieurs canaux analogiques. Je testais les canaux analogiques au-dessus de la température et quand elle est descendue en dessous de 10C, j'ai remarqué que le bruit de tension de la batterie est passé de> 1uV à 10 mV. Comme j'ai toujours pensé que les batteries étaient une source stable, j'ai commencé à vérifier mon électronique analogique, seulement pour découvrir que c'était la batterie.

Quelqu'un a-t-il caractérisé ce bruit ou la température à laquelle il commence?
D'où cela vient-il (quels processus physiques)?
Est-ce que cela s'applique à tous les produits chimiques des batteries (tous les types de batteries sont-ils bruyants avec des températures plus basses)?

Edit - Plus de choses:
Ce n'est pas mécanique, un ingénieur de test et je l'ai exclu. L'électronique n'est pas à la même température et n'est pas alimentée par la batterie. La batterie est une référence. Il y a des capteurs que nous utilisons que nous abaissons normalement à la température à laquelle l'électronique analogique est connectée et il n'y a pas de problème de bruit avec le capteur normal. Le bruit vient de la batterie

Edit - Dernier mot: vous n'avez donc pas à lire de nombreux commentaires, je vais poster le résultat ici. Quand je me suis réveillé ce matin, j'ai pensé que je tiendrais compte du conseil de quelques utilisateurs et revérifierais la configuration mécanique. J'ai suggéré que la technologie examine les choses et refaites les joints de soudure avec de la soudure au plomb au lieu du plomb sans plomb. Après que les choses ont bien fonctionné, j'avais moins de 1 uV de bruit en baisse de température. Je m'excuse donc de ne pas avoir écouté les commentaires sur la mécanique.

Étant donné que la variation du bruit avec la température est une propriété fondamentale de la matière, toutes les choses (y compris les piles alcalines) auront un bruit proportionnel à la température. Toutes les résistances ont un bruit thermique, et toutes les batteries ont une résistance, et leur bruit est plus ou moins de cette résistance interne. Le bruit de tension d'une batterie (ou d'une résistance) est:

où h est la constante de Planck, f est la fréquence, R est la résistance interne des cellules ou de la cellule, ∆v est la largeur de bande, k est la constante de Boltzmann et T est la température en degrés kelvin. Comme vous pouvez le voir, abaisser la température diminue le bruit. Cela est vrai pour tout, il ne se passe rien ici unique aux batteries. Ce bruit est appelé bruit de Johnson-Nyquist .

Quant à la chimie qui a le plus faible bruit, il n'y a pas de différence significative en théorie. En pratique, les cellules nickel-cadmium ont le bruit de tension le plus faible. Cependant, cela est purement dû au fait que la chimie a également la résistance interne la plus faible. Comme vous pouvez le voir dans l'équation précédente, une diminution de la résistance réduira le bruit dans l'ensemble. Les cellules alcalines ont une résistance interne relativement élevée, il n'est donc pas surprenant qu'elles soient plus bruyantes en tant que chimie. Notez que cela signifie que la taille des cellules est aussi importante pour le bruit de tension que la chimie des cellules. Les cellules plus grandes ont une résistance interne plus faible et donc un bruit plus faible.

Mais ne me croyez pas sur parole. Prenez NIST. Ils ont fait une étude sur le bruit des batteries, et il y a de beaux graphiques pour ceux qui sont curieux dans ce document, mais après des mesures substantielles jusqu'au bruit-plancher thermodynamiquement limité, ils ont conclu que le bruit de la tension de la batterie est essentiellement en accord avec le bruit thermique Johnson-Nyquist attendu que l'on attendrait de la résistance interne de la cellule.

Edit: Oups, j'ai oublié que toute la question portait sur l'augmentation du bruit une fois qu'il faisait assez froid. La résistance interne d'une batterie augmente à mesure qu'elle refroidit et diminue à mesure qu'elle se réchauffe. Ce mécanisme est de nature chimique et pourrait probablement varier entre différentes constructions de la même chimie. En général, la température peut augmenter la résistance interne beaucoupune fois que vous avez assez froid. La résistance interne est finalement déterminée par la vitesse à laquelle la réaction chimique peut se produire, et plus la batterie est froide, plus la réaction est lente. C'est une valeur sûre de regarder la résistance interne d'une cellule ou d'une chimie en fonction de la température, cela devrait vous donner une bonne idée de la température dont vous avez besoin pour garder la cellule. Il va y avoir un «sweet spot» où le bruit est le plus faible. Plus chaud et la température augmente le bruit plus que la résistance interne diminue, plus froid et la résistance interne augmente plus que le bruit diminue.

EDIT2: Il semble que la résistance interne d'une cellule alcaline double (ou au moins une cellule AA) allant de 20 degrés C à 10. C'est beaucoup trop petit pour tenir compte de l'augmentation de plusieurs ordres de grandeur du bruit.

Désolé. Quelque chose de bizarre se passe. Des effets de thermocouple peut-être?

Les batteries ont du bruit, c'est juste le bruit thermique de l'ESR, qui est presque toujours moins que les autres sources de bruit. Ce qui manque ici, c'est que dans un intervalle de température très court, le niveau de bruit saute de 3 à 4 ordres de grandeur. Voir la réponse @metacollins pour plus de détails.

Même avec des équations électrochimiques, cet effet est beaucoup plus important que prévu, voir les équations d'Arrhenius, etc. Pour que cela se produise, l'énergie d'activation du système est proche de 0,026 eV à température ambiante.

Mon sens vague me dit que cela pourrait être un changement physique de la batterie en raison d'effets de construction. Si la batterie est faite avec une structure granulaire, lorsque la cellule se contracte, on peut avoir des chemins de conduction très différents à travers la cellule, avec une transition abrupte dans la résistance de la cellule en raison du stress / déformation à l'intérieur de la cellule.

Si cette hypothèse est juste, on pourrait s'attendre à ce que le niveau de bruit accru ait des composants de type scintillement (c'est-à-dire un comportement de bruit 1 / f) dans son spectre de fréquences. Les longs chemins de conduction qui traversent les joints de grains ont généralement ce type de signature.

De plus, vous devriez pouvoir mesurer le changement de résistance des cellules avec la température.

Bien sûr, s'il s'agit d'une conception de production, vous allez maintenant devoir vérifier qu'elle est reproductible et donc la spécifier en tant que paramètre dans votre nomenclature.

Si ma supposition est juste, cela pourrait en fait être juste une mauvaise cellule.

Le bruit provient plus probablement de la ligne VCC de votre circuit, pas vraiment de la batterie elle-même. Avec une impédance de batterie croissante, le bruit VCC deviendra plus répandu car il n'aura plus le chemin d'origine à faible impédance vers la terre (à travers la batterie). Cela revient à placer une résistance de plus en plus élevée en ligne avec votre batterie. Pour réduire le bruit, vous pouvez placer une céramique de valeur modérée (environ 1 uf) directement sur la batterie ou aux points de connexion de la batterie PCB. Cela réduirait l'impédance effective de la batterie vue par VCC et devrait réduire le bruit de fréquence plus élevée. Si le bruit est une fréquence inférieure, un capuchon électrolytique peut également être ajouté en parallèle avec le capuchon en céramique. Une batterie froide ou partiellement déchargée peut présenter une impédance série accrue.