ogrzewanie z rozpraszania mocy

Do dzisiaj czuję, że nie mam dobrego intuicyjnego wyczucia, jak rozpraszanie mocy zamienia się w ogrzewanie - to znaczy, jeśli marnuję 1 wat energii jako ciepło na urządzenie wielkości kubka do kawy, jak gorąco dostać? Co powiesz na 10 watów, 100 lub 1000?

Doskonale zdaję sobie sprawę z tego, że wybór materiału, przepływ powietrza, powierzchnia itp. Powodują ogromne różnice. Byłoby jednak miło mieć kilka praktycznych zasad jako punkt wyjścia do sprawdzenia, czy urządzenie będzie chłodne, ciepłe, absurdalnie gorące lub może spowodować zapłon.

Jakie są twoje podejścia do oszacowania, jak gorący będzie Twój projekt bez modelowania lub budowania rzeczywistego urządzenia?

EDYTOWAĆ:

Aby wyjaśnić, bardziej interesuje mnie temperatura w stanie ustalonym urządzenia (lub przynajmniej „powierzchnie dotykowe”) po kontynuowaniu pracy; nie natychmiastowy efekt nagrzewania urządzenia przez chwilę.

$\theta_{JA}$

Oznacza to, że w typowym środowisku otoczenia na każdy rozproszony wat, urządzenie nagrzewa się o x ° C powyżej temperatury otoczenia. Musisz uwzględnić temperaturę otoczenia w swoich obliczeniach. W otwartym środowisku laboratoryjnym temperatura może wynosić 25 ° C, ale w rzeczywistości wewnątrz obudowy elektroniki może być znacznie cieplej.

$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Myśląc o ogrzewaniu, musisz przejść przez kilka różnych jednostek, aby uzyskać sensowne liczby.

Rozpraszanie ciepła elektrycznego jest mierzone w watach. Energia jest mierzona w dżulach, a samo ciepło w kaloriach.

Weźmy typowy kubek wody - powiedzmy 300 g wody (około 300 cm3, typowy kubek kawy). Załóżmy teraz, że mamy coś, co oddaje 10 W rozpraszania ciepła. 10 W to wszystko bardzo dobrze, ale jak długo liczymy 10 W? Tam właśnie formuła:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Gdzie J to dżule, a t to czas w sekundach}

przydaje się. Jeden wat to jeden dżul na sekundę. Więc dżule = waty × sekundy, ok? Jeśli więc ogrzewamy przy 10 W przez 10 sekund, otrzymamy 100 dżuli.

Teraz kaloria to ilość ciepła potrzebna do podgrzania 1 g wody o 1 ° C i jest równoważna 4,184 dżuli.

Oznacza to, że nasze 100 dżuli jest równe (EDYCJA: 23,9 kalorii [1 kaloria = 4,188 J, a więc 100 J * 1 kalorii / 4,184 J = 23,9 kalorii, a nie 418,4 kalorii]). Ponad 300 g wody to:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Co równa się (EDYCJA: 0,08 ° C [nie 1,395 ° C]) wzrost temperatury.

Zatem 10 watów mocy przez 10 sekund podniosłoby ciepło wody w kubku do kawy o nieco poniżej (EDYCJA: jedna dziesiąta stopnia [nie jeden i pół stopnia]).

Jako intuicyjna i bardzo szorstka (ale pomocna) zasada lubię odnosić się do rezystorów o różnych rozmiarach. Prawie wszyscy znają „standardowe” rezystory 1/4 W (aka 0207). Ponadto, patrząc na katalog dystrybutora elektroniki (lub z doświadczeniem z ciągłego hakowania i naprawy rzeczy), poznajesz coraz większe rezystory (rozmiary SMD dla 1/4 W, 1/8 W, ... i większe rezystory mocy dla 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

Większość rezystorów jest zaprojektowana tak, aby można je było uruchomić przy ich mocy znamionowej w temperaturze otoczenia 70 ° C lub 75 ° C, a dzięki temu osiągną maksymalną dopuszczalną temperaturę 125 ° C lub 155 ° C (typowe i wspólne wartości, szczegółowe informacje znajdują się w kartach danych).

Zatem masz związek między rozproszoną mocą a wzrostem temperatury (coś w zakresie 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C do 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C) i, aby wrócić do rdzeń pytania, rozmiar fizyczny (objętość, powierzchnia) części.

Możesz również używać żarówek (oldschoolowy styl żarnika) i innych rzeczy, których znasz rozmiar i moc (aka moc). Pomyślmy na przykład o żarówce o mocy 40 W. W temperaturze pokojowej (otoczenia) powierzchnia robi się tak gorąca, że ​​wciąż ledwo można ją dotknąć (co może wynosić może 60 ° C). Kocioł wodny (do wody herbacianej) pobiera coś rzędu 2 kW, a przy 1 l wody wzrasta z 20 ° C do 100 ° C w ciągu około jednej lub dwóch minut (i sam by się zniszczył, gdyby nie został wyłączony przez jego termostat. Rozszerz tę koncepcję na inne znane Ci urządzenia codziennego użytku: rozproszoną moc, rozmiar, wzrost temperatury.

Działa bardzo dobrze w wielu przypadkach, jeśli potrzebujesz wyczuć coś, co zamierzasz zbudować.

Być może dobrym pomysłem byłaby lista rozpraszanych urządzeń w świecie rzeczywistym. Smartfon 1-2W, laptop 10-30W, 50-calowy telewizor LCD 100W, komputer stacjonarny 200-500W, podgrzewacz przestrzeni 1500W.

Powierzchnia i ruch powietrza (wentylatory) mogą pozwolić na rozproszenie ciepła o kilka rzędów wielkości w tej samej temperaturze, więc konstrukcja mechaniczna jest bardzo ważna dla wszystkiego, co działa na gorąco. Suszarka do włosów jest wielkości kubka do kawy, ma moc ponad 1000 W i jest ciepła tylko przed dmuchawą, ale jeśli ją rozebrzesz, cewka grzejna może spowodować zapalenie papieru. Nawet 1 W wystarczy, aby rozpalić ogień, jeśli skoncentruje się na wystarczająco małym obszarze, powiedzmy za pomocą lasera. Komputer stacjonarny wkładający 100 W do 1 cm ^ 2 może wydmuchać dziurę w płycie głównej, jeśli będzie działał bez radiatora, ale odpowiednio schłodzony sprawi, że radiator będzie gorący i obudowa będzie ciepła.

Jeśli Twój projekt działa poniżej 0,1 W, prawdopodobnie nie musisz się martwić o ciepło. Przy 1 W metal na płytce drukowanej może rozproszyć ciepło w stopniu wystarczającym do ochłodzenia otoczenia. Przy 10 W prawdopodobnie będziesz potrzebować przyzwoitego radiatora (co może mieć miejsce) i / lub wentylatora. Przy 100 W prawdopodobnie będziesz potrzebować wentylatora. Powyżej 1000 W skutecznie zbudowałeś ogrzewacz pomieszczeń, a to, czy się pali, zależy od tego, jak szybko możesz przenieść ciepło do otaczającego powietrza. Powyżej 5000 W może być konieczne odprowadzenie ciepła na zewnątrz, aby pomieszczenie nie było zbyt gorące.

Większość ludzi nie ma w domu niczego, co pobiera ponad kilka tysięcy watów, przy czym najwyższym pojedynczym ładunkiem jest prawdopodobnie suszarka do ubrań. Należy pamiętać, że 1 W kosztuje cały czas około 1 USD rocznie, więc posiadanie czegokolwiek o wartości przekraczającej kilkaset watów będzie kosztowne, chyba że będzie używane tylko sporadycznie.

Słusznie wspominasz o materiale. Każdy materiał ma określone ciepło, które mówi, ile energii w postaci ciepła należy dodać, aby wzrost temperatury o 1K na próbce 1g. Na przykład, aby ogrzać 1 g wody z 14,5 ° C do 15,5 ° C, potrzebujesz 4,186 J. (Jest to definicja starej jednostki 1 kalorii).
Mówiąc o przepływie tego ciepła, interesuje Cię opór cieplny (tak jak chcesz poznać opór elektryczny, aby znaleźć prąd elektryczny). Opór cieplny jest wyrażany w K / W (kelwina na wat) i mówi, ile różnic w temperaturze otrzymujesz między dwoma punktami, gdy ciepło przepływa z określoną szybkością (energia na jednostkę czasu = moc). Kiedy czytasz arkusz danych komponentu mocy, zobaczysz opór cieplny między matrycą a obudową oraz od obudowy do otoczenia.

edytuj (w odniesieniu do twojej edycji)
Dla stanu równowagi grają te same czynniki: ciepło właściwe określa temperaturę matrycy i szereg oporów cieplnych, ile ciepła można odprowadzić do otoczenia. Równowaga oznacza, że ​​ta ostatnia jest równa energii, którą rozpraszasz.

W odpowiedzi na „byłoby miło mieć kilka praktycznych zasad” ..

• jeśli nie możesz przytrzymać kciuka, jest za gorąco. Będzie potrzebował na nim radiatora.
• Przekonałem się, że więcej niż 2 W rozproszone w 40-pinowym mikroprzełączniku powoduje, że powierzchnia jest zbyt gorąca, by jej dotknąć.
• nawet zaledwie 1 W to dużo w radiatorze TO-220 w / oa

Prawdopodobnie nie spotkasz dziś zbyt wielu 40-pinowych pakietów DIP, a jeśli to zrobisz, wydaje się wątpliwe, że rozproszą aż 2W. Wspominam o tym, ponieważ zapewnia przydatne poczucie skali.

Pakiet TO-220 wciąż jest mocny i zasadniczo został zaprojektowany do użycia z radiatorami. Ta metalowa zakładka jest z jakiegoś powodu, więc nie ma sensu uruchamiać jednego z nich na gorąco, gdy aluminiowy zlew i odrobina kontaktowego smaru termicznego są tak tanie i łatwe.