нагрівання від розсіювання потужності

На сьогоднішній день я відчуваю, що не маю хорошого інтуїтивного відчуття того, як розсіювання електроенергії перетворюється на нагрів - тобто, якщо я витрачаю 1 ват енергії як тепло на пристрій розміром з кавову кухлю, наскільки гаряче це отримати? Як щодо 10 Вт, 100 чи 1000?

Я досить добре усвідомлюю, що підбір матеріалів, потік повітря, площа поверхні та ін. Роблять величезні відмінності. Однак було б непогано, щоб деякі правила роботи в якості основного моменту для перевірки здорового стану, чи було б прилад холодним, теплим, смішно гарячим чи небезпекою займання.

Які є ваші підходи, щоб оцінити, наскільки гарячим буде ваш проект без моделювання чи побудови фактичного пристрою?

Редагувати:

Просто для уточнення мене більше цікавить стаціонарна температура пристрою (або, принаймні, «сенсорні поверхні») від тривалої роботи; не негайне нагрівання на мить на пристрій.

Для пристрою ви часто будете бачити фігурний називається . Це називається термічним опором.$\theta_{JA}$

Це говорить вам про те, що в типовому середовищі для кожного розсіяного Вт прилад нагріватиметься на x ° C вище навколишнього середовища. Ви повинні включити температуру навколишнього середовища у свій розрахунок. У відкритому лабораторному середовищі це може бути 25 ° C, але насправді всередині корпусу деякої електроніки може бути набагато спекотніше.

Якщо ви додаєте радіатор, вам слід знати (опір з'єднання-корпусу), θ C I (опір корпусного ізолятора, якщо такий є), θ I H (опір ізоляції-радіатора, якщо такий є), і нарешті θ H A (Опір радіатора - навколишнє середовище.) Як звичайний електричний опір, ви можете скласти їх разом, щоб отримати остаточну цифру, наскільки ваш пристрій нагріється, коли він розсіюється x Вт.$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Розмірковуючи про опалення, вам доведеться пройти декілька різних одиниць, щоб отримати кілька розумних цифр.

Вимірювання електричного тепла вимірюється у ватах. Енергія вимірюється в джоулях, а саме тепло вимірюється в калоріях.

Давайте візьмемо типовий кухоль води - скажімо, 300 г води (приблизно 300 куб. См, типовий кухоль для кави) Тепер скажімо, у нас є щось, що виділяє 10 Вт тепловиділення. 10W все добре, але скільки ми вважаємо 10W? Ось де формула:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Де J - Джоулс, а t - час у секундах}

стане в нагоді. Один ват - один джоуль на секунду. Отже, Джоулс = Вт × секунди, добре? Отже, якщо ми нагріваємось на 10 Вт протягом 10 секунд, ми отримуємо 100 джоулів.

Тепер калорійність - це кількість тепла, необхідного для нагрівання 1 г води на 1 ° С, і еквівалентна 4.184 джоулів.

Це означає, що наші 100 джоулів дорівнюють (EDIT: 23,9 калорій [1 калорія = 4,184 Дж, тому 100 Дж * 1 калорій / 4,184 Дж = 23,9 калорій, а не 418,4 калорій]). Понад 300 г води це:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Що дорівнює (EDIT: 0,08 ° C [не 1,359 ° C]) підвищення температури.

Таким чином, 10 Вт потужності протягом 10 секунд підвищило б нагрівання води в кавовій гуртці трохи нижче (EDIT: десята частина градуса [не півтора градуси]).

Як інтуїтивне і дуже грубе (але корисне) правило, я люблю посилатися на резистори різних розмірів. Вже майже всі знають "стандартні" 1/4 Вт резистори (ака 0207). Крім того, переглянувши каталог дистриб'юторів електроніки (або з досвідом триваючих злому та ремонту), ви дізнаєтесь великі та менші резистори (розміри SMD на 1/4 Вт, 1/8 Вт, ... та більші потужні резистори для 2 Вт, 4 Вт, 5 Вт, 11 Вт, ...).

Спосіб побудови більшості резисторів полягає в тому, що ви можете запускати їх при їх номінальній потужності при температурі навколишнього середовища 70 ° C або 75 ° C, і тим самим ви змусите їх досягти максимально допустимої температури 125 ° C або 155 ° C (типові та загальні значення, ознайомтеся з інформаційними листами).

Таким чином, у вас є залежність між розсіяною потужністю і підвищенням температури (приблизно в порядку 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C до 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C), і, щоб повернутися до суть вашого питання, фізичний розмір (об'єм, площа поверхні) деталі.

Крім того, ви можете використовувати лампочки (стиль старої школи з розжаренням) та інші речі, про які ви знаєте розмір та потужність (він же потужність). Подумайте, наприклад, лампочка потужністю 40 Вт: При кімнатній (навколишній) температурі поверхня нагрівається просто так, що ви її ледве доторкаєтесь (що означає 60 ° С). Водогрійний котел (для чайної води) займає щось в порядку 2 кВт, а з 1 л води він піднімається з 20 ° С до 100 ° С приблизно за одну-дві хвилини (і самознищиться, якби не відключився його термостат. Поширити це поняття на інші побутові пристрої, про які ви знаєте: розсіяна потужність, розмір, підвищення температури.

Дуже добре спрацьовує у багатьох випадках, якщо вам просто потрібно відчути щось, що ви збираєтесь побудувати.

Можливо, перелік того, які пристрої в реальному світі розсіюються, стане хорошим посиланням. Смартфон 1-2 Вт, ноутбук 10-30 Вт, 50-дюймовий РК-телевізор 100 Вт, настільний комп'ютер 200-500 Вт, обігрівач простору 1500 Вт.

Поверхня та рух повітря (вентилятори) можуть забезпечити на кілька порядків більше розсіювання тепла при одній і тій же температурі, тому механічна конструкція - це велика справа для всього, що нагрівається. Фен розміром з кавовою кружкою, потужністю понад 1000 Вт, і перед повітродувкою теплий, але якщо ви розібрали його, нагрівальна котушка може запалити папір. Навіть 1 Вт достатньо, щоб розпалити вогонь, якщо зосереджена на досить невеликій площі, скажімо, лазером. Настільний процесор, розміщуючи 100 Вт на 1 см ^ 2, може пробити дірку на материнській платі, якщо не працювати без радіатора, але при правильному охолодженні буде лише гарячий радіатор, а корпус - теплим.

Якщо ваш проект працює нижче 0,1 Вт, вам, мабуть, не потрібно турбуватися про тепло. При потужності 1 Вт метал в друкованій платі може поширювати тепло, щоб забезпечити охолодження навколишнього середовища. При 10 Вт вам, мабуть, потрібен радіатор гідного розміру (що може бути) та / або вентилятор. На 100 Вт вам, мабуть, знадобиться вентилятор. Вище 1000 Вт ви ефективно побудували обігрівач простору, і від того, чи спалює він речі, залежатиме від того, наскільки швидко ви зможете перенести тепло в навколишнє повітря. Більше 5000 Вт вам може знадобитися відводити тепло на відкритому повітрі, щоб у приміщення не було занадто жарко.

Більшість людей не мають у своєму будинку нічого, що складає більше декількох тисяч ват, найвищий розмір одного навантаження, мабуть, сушарка для одягу. Майте на увазі, що 1W коштує близько $ 1 / рік для роботи весь час, тому що-небудь понад кілька сотень ват буде дорого володіти, якщо тільки не використовується з перервами.

Ви правильно зазначаєте матеріал як фактор. Кожен матеріал має певну теплоту, яка говорить про те, скільки енергії у вигляді тепла потрібно додати для підвищення температури на 1 К на зразку 1 г. Наприклад, для нагрівання 1 г води від 14,5 ° С до 15,5 ° С потрібно 4,186 Дж. (Це визначення старої одиниці в 1 калорії).
Говорячи про потік цього тепла, вас цікавить тепловий опір (так само, як ви хочете знати електричний опір, щоб дізнатися електричний струм). Тепловий опір виражається в К / Вт (Келвін на Ватт) і говорить вам, скільки різниці температур ви отримуєте між двома точками, коли тепло тече з певною швидкістю (енергія на одиницю часу = потужність). Читаючи таблицю з силовим компонентом, ви побачите термічний опір між штампом і корпусом, а також від корпусу до навколишнього середовища.

редагувати (щодо вашої редакції)
Для стану рівноваги відіграють ті самі фактори: питома теплота визначає температуру штампу, а ряд термічних опорів - скільки тепла можна подати в навколишнє середовище. Рівновага означає, що остання дорівнює енергії, яку ви розсіюєте.

У відповідь на "було б непогано мати деякі правила".

• якщо ви не можете тримати великий палець на ньому, це занадто жарко. На ньому знадобиться радіатор.
• Я виявив, що більше 2 Вт, розсіяного в 40-контактному DIP, робить поверхню занадто гарячою на дотик.
• навіть 1Вт - це багато в теплонагрівачі TO-220 вт / о

Ви, мабуть, не зустрінете занадто багато 40-контактних пакетів DIP в ці дні, і якщо це зробити, вам здається, що вони будуть розсіюватися аж на 2 Вт. Я згадую це, хоча це забезпечує зручне відчуття масштабу.

Хоча пакет TO-220 все ще залишається міцним і в основному призначений для використання з тепловідводячими. Ця металева вкладка є з якоїсь причини, тому мало сенсу запускати одну з таких гарячих, коли алюмінієва мийка та масляний контактний тепловий жир такі дешеві та легкі.