riscaldamento da dissipazione di potenza

Ad oggi, mi sento come se non avessi una buona sensazione intuitiva di come la dissipazione di energia si trasforma in riscaldamento - vale a dire, se spreco 1 watt di energia come calore in un dispositivo delle dimensioni di una tazza di caffè, quanto fa caldo capisci? Che ne dici di 10 watt, 100 o 1.000?

Mi rendo conto abbastanza bene che la selezione del materiale, il flusso d'aria, la superficie, ecc. Fanno enormi differenze. Tuttavia, sarebbe bello avere alcune regole pratiche come punto di partenza per verificare se un dispositivo sarebbe freddo, caldo, ridicolmente caldo o un rischio di accensione.

Quali sono alcuni dei tuoi approcci per stimare quanto sarà caldo il tuo progetto senza modellare o costruire il dispositivo reale?

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Giusto per chiarire, sono più interessato alla temperatura dello stato stazionario del dispositivo (o almeno alle "superfici tattili") dal funzionamento continuo; non gli effetti di riscaldamento immediati di un momento sul dispositivo.

Per un dispositivo vedrai spesso un figurato chiamato . Questo si chiama resistenza termica.$\theta_{JA}$

Questo ti dice che in un tipico ambiente ambientale per ogni watt dissipato, il dispositivo si riscalda x ° C sopra l'ambiente. È necessario includere la temperatura ambiente nel calcolo. In un ambiente di laboratorio aperto, potrebbe essere di 25 ° C, ma in realtà all'interno dell'involucro di alcuni componenti elettronici può essere molto più caldo.

Se si aggiunge un dissipatore di calore, è necessario conoscere (resistenza della scatola di giunzione), (resistenza del case isolante, se presente), (resistenza del dissipatore di calore, se presente) e infine (resistenza del dissipatore di calore ambientale). Come per la normale resistenza elettrica, puoi aggiungerli insieme per ottenere una cifra finale di quanto il tuo dispositivo si surriscalda quando dissipa x watt. θ C I θ I H θ H $\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Quando si pensa al riscaldamento, è necessario passare attraverso un numero di unità diverse per ottenere alcuni numeri sensibili.

La dissipazione del calore elettrico è misurata in Watt. L'energia viene misurata in joule e il calore stesso viene misurato in calorie.

Prendiamo una tipica tazza di acqua - diciamo 300 g di acqua (circa 300 cc, una tipica tazza di caffè) Ora diciamo che abbiamo qualcosa che emette 10 W di dissipazione del calore. 10W è tutto molto buono, ma per quanto tempo contiamo i 10W? Ecco dove la formula:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Dove J è Joules e t è il tempo in secondi}

torna utile. Un Watt è un Joule al secondo. Quindi Joules = Watts × Seconds, ok? Quindi se riscaldiamo a 10 W per 10 secondi, otteniamo 100 Joule.

Ora, la caloria è la quantità di calore richiesta per riscaldare 1 g di acqua di 1 ° C ed è equivalente a 4,184 joule.

Ciò significa che i nostri 100 Joule sono uguali a (EDIT: 23,9 calorie [1 caloria = 4.184 J, quindi 100 J * 1 caloria / 4.184 J = 23,9 calorie, non 418,4 calorie]). Oltre i nostri 300 g di acqua, sarebbe:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Che equivale a (EDIT: 0,08 ° C [non 1.395 ° C]) aumento di temperatura.

Quindi 10 watt di potenza per 10 secondi aumenterebbero leggermente il calore dell'acqua nella tazza di caffè (EDIT: un decimo di grado [non un grado e mezzo]).

Come regola empirica intuitiva e molto approssimativa (ma utile), mi piace fare riferimento a resistori di dimensioni diverse. Praticamente tutti conoscono i resistori "standard" da 1/4 W (aka 0207). Inoltre, guardando il catalogo di un distributore di elettronica (o con l'esperienza di continue attività di hacking e riparazione), puoi conoscere resistori sempre più grandi (dimensioni SMD per 1/4 W, 1/8 W, ... e resistori di potenza più grandi per 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

Il modo in cui sono progettate la maggior parte dei resistori è che è possibile farli funzionare alla loro potenza nominale a una temperatura ambiente di 70 ° C o 75 ° C, e così facendo li farai raggiungere la loro temperatura massima consentita di 125 ° C o 155 ° C (valori tipici e comuni, consultare le schede tecniche per i dettagli).

Quindi, hai una relazione tra potenza dissipata e aumento della temperatura (qualcosa nell'ordine di 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C fino a 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C) e, per tornare a il nucleo della domanda, dimensione fisica (volume, superficie) di una parte.

Inoltre, puoi utilizzare lampadine (stile filamento della vecchia scuola) e altre cose di cui conosci le dimensioni e la potenza (aka potenza). Pensa ad esempio a una lampadina da 40 W: a temperatura ambiente (ambiente), la superficie diventa così calda che puoi ancora appena toccarla (che si traduce forse in 60 ° C). Un bollitore (per l'acqua del tè) prende qualcosa nell'ordine di 2 kW e con 1 l di acqua, sale da 20 ° C a 100 ° C in circa uno o due minuti (e si autodistruggerebbe se non spento il suo termostato. Estendi questo concetto ad altri dispositivi quotidiani di cui conosci: potenza dissipata, dimensioni, aumento della temperatura.

Funziona molto bene in molti casi se hai solo bisogno di avere un'idea di qualcosa che stai pensando di costruire.

Forse un elenco di ciò che i dispositivi del mondo reale dissipano sarebbe un buon riferimento. Smartphone 1-2 W, laptop 10-30 W, TV LCD da 50 "100 W, computer desktop 200-500 W, riscaldatore di spazio 1500 W.

La superficie e il movimento dell'aria (ventole) possono consentire diversi ordini di grandezza in più di dissipazione del calore alla stessa temperatura, quindi il design meccanico è un grosso problema per tutto ciò che è caldo. Un asciugacapelli ha le dimensioni di una tazza da caffè, funziona a più di 1000 W ed è caldo solo di fronte al soffiatore, ma se lo smontasse, la serpentina di riscaldamento potrebbe incendiare la carta. Anche 1W è sufficiente per accendere un fuoco se concentrato su un'area abbastanza piccola, per esempio con un laser. Una CPU desktop che mette 100 W in 1 cm ^ 2 può fare un buco nella scheda madre se lasciata in esecuzione senza dissipatore di calore, ma correttamente raffreddata renderà solo il dissipatore di calore caldo e il case caldo.

Se il tuo progetto funziona al di sotto di 0,1 W, probabilmente non dovrai preoccuparti del calore. A 1W il metallo nel circuito stampato potrebbe diffondere il calore sufficiente per consentire il raffreddamento ambientale. A 10 W probabilmente avrai bisogno di un dissipatore di dimensioni decenti (che potrebbe essere il caso) e / o una ventola. A 100W probabilmente avrai bisogno di un ventilatore. Al di sopra di 1000W hai effettivamente costruito un riscaldatore di spazio e se brucia o meno le cose dipenderà dalla velocità con cui puoi spostare il calore nell'aria circostante. Oltre i 5000 W potrebbe essere necessario ventilare il calore all'aperto per evitare che la stanza si surriscaldi.

La maggior parte delle persone non ha nulla in casa che assorba qualche migliaio di watt, il singolo carico più alto è probabilmente l'asciugatrice. Tieni presente che 1 W costa circa $ 1 / anno per funzionare continuamente, quindi qualsiasi cosa oltre qualche centinaio di watt sarà costoso da possedere a meno che non venga usato solo in modo intermittente.

Giustamente menzioni il materiale come fattore. Ogni materiale ha un calore specifico, che ti dice quanta energia sotto forma di calore devi aggiungere per un aumento di temperatura di 1K su un campione di 1g. Ad esempio, per riscaldare 1 g di acqua da 14,5 ° C a 15,5 ° C sono necessari 4,186 J. (Questa è la definizione della vecchia unità di 1 caloria).
Quando parli del flusso di questo calore ti interessa la resistenza termica (proprio come vuoi conoscere la resistenza elettrica per scoprire la corrente elettrica). La resistenza termica è espressa in K / W (Kelvin per Watt) e indica la differenza di temperatura che si ottiene tra due punti quando il calore scorre a una determinata velocità (energia per unità di tempo = potenza). Quando leggi la scheda tecnica di un componente di potenza, vedrai la resistenza termica tra la matrice e l'alloggiamento e dall'alloggiamento all'ambiente.

modifica (per quanto riguarda la modifica)
Per uno stato di equilibrio giocano gli stessi fattori: il calore specifico determina la temperatura dello stampo e la serie di resistenze termiche di quanto calore può essere scaricato nell'ambiente. Equilibrio significa che quest'ultimo è uguale all'energia che dissipi.

In risposta a "sarebbe bello avere alcune regole empiriche" ..

• se non riesci a trattenerlo, fa troppo caldo. Avrà bisogno di un dissipatore di calore.
• Ho scoperto che più di 2 W dissipati in un DIP a 40 pin rendono una superficie troppo calda per essere toccata.
• anche solo 1W è molto in un TO-220 con dissipatore di calore

Probabilmente non incontrerai troppi pacchetti DIP a 40 pin in questi giorni, e se lo fai, sembra dubbio che si dissiperanno fino a 2W. Lo menziono però in quanto fornisce un pratico senso della scala.

Il pacchetto TO-220 sta ancora andando forte, ed è sostanzialmente progettato per essere utilizzato con i dissipatori di calore. Quella linguetta di metallo è lì per un motivo, quindi ha poco senso far funzionare uno di questi caldi quando un lavandino in alluminio e una piccola quantità di grasso termico a contatto sono così economici e facili.