aquecimento da dissipação de energia

Até hoje, sinto que não tenho uma boa sensação intuitiva de como a dissipação de energia se transforma em aquecimento - ou seja, se eu desperdiçar 1 watt de energia como calor em um dispositivo do tamanho de uma caneca de café, qual a temperatura quente? entendeu? Que tal 10 watts, 100 ou 1.000?

Percebo muito bem que a seleção de materiais, o fluxo de ar, a superfície e o cetra fazem grandes diferenças. No entanto, seria bom ter algumas regras práticas como ponto de partida para verificar se o dispositivo seria legal, quente, ridiculamente quente ou com risco de ignição.

Quais são algumas de suas abordagens para estimar o quão quente seu projeto ficará sem modelar ou construir o dispositivo real?

EDITAR:

Apenas para esclarecer, estou mais interessado na temperatura em estado estacionário do dispositivo (ou pelo menos nas "superfícies de toque") da operação contínua; não os efeitos imediatos de aquecimento momentaneamente no dispositivo.

Para um dispositivo, você geralmente verá uma figura chamada . Isso é chamado de resistência térmica.$\theta_{JA}$

Isso indica que, em um ambiente ambiente típico para cada watt dissipado, o dispositivo aquece x ° C acima do ambiente. Você deve incluir a temperatura ambiente em seu cálculo. Em um ambiente de laboratório aberto, pode ser de 25 ° C, mas, na realidade, dentro de alguns componentes eletrônicos, pode ser muito mais quente.

Se você adicionar um dissipador de calor, precisará conhecer (resistência do caso de junção), (resistência do isolador do caso, se houver), (resistência do dissipador de calor do isolamento, se houver) e, finalmente, (resistência do dissipador de calor). Como a resistência elétrica normal, você pode adicioná-los para obter um valor final de quanto seu dispositivo aquecerá quando dissipa x watts. θ C I θ I H θ H $\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Ao pensar em aquecimento, você deve passar por várias unidades diferentes para obter alguns números razoáveis.

A dissipação de calor elétrica é medida em watts. A energia é medida em joules, e o próprio calor é medido em calorias.

Vamos tomar uma caneca de água típica - digamos 300g de água (cerca de 300cc, uma caneca de café típica) Agora, digamos que temos algo que libera 10W de dissipação de calor. 10W está tudo muito bem, mas por quanto tempo contamos os 10W? É aí que a fórmula:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Onde J é Joules e t é o tempo em segundos}

vem a calhar. Um Watt é um Joule por segundo. Então Joules = Watts × Segundos, ok? Portanto, se aquecermos a 10W por 10 segundos, obteremos 100 Joules.

Agora, a caloria é a quantidade de calor necessária para aquecer 1g de água a 1 ° C e equivale a 4,184 joules.

Isso significa que nossos 100 Joules são iguais a (EDIT: 23,9 calorias [1 caloria = 4,184 J, então 100 J * 1 caloria / 4,184 J = 23,9 calorias, não 418,4 calorias]). Sobre nossos 300g de água, isso seria:

• $T=\frac{23.9}{300}$

O que equivale a (EDIT: 0,08 ° C [não 1,395 ° C]) aumento de temperatura.

Portanto, 10 watts de potência por 10 segundos aumentariam um pouco o calor da água na caneca de café (EDIT: um décimo de grau [não um grau e meio]).

Como regra prática intuitiva e muito grosseira (mas útil), eu gosto de me referir a resistores de tamanhos diferentes. Quase todo mundo conhece os resistores "padrão" de 1/4 W (aka 0207). Além disso, examinando o catálogo de um distribuidor de eletrônicos (ou com experiência em hackers e reparos contínuos), você conhece resistores maiores e menores (tamanhos SMD para 1/4 W, 1/8 W, ... e resistores de potência maiores para 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

A maneira como a maioria dos resistores é projetada é que você pode executá-los em sua potência nominal a uma temperatura ambiente de 70 ° C ou 75 ° C e, ao fazer isso, fará com que atinjam a temperatura máxima permitida de 125 ° C ou 155 ° C (valores típicos e comuns, consulte as folhas de dados para obter detalhes).

Assim, você tem uma relação entre potência dissipada e aumento de temperatura (algo da ordem de 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C até 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C) e, para voltar ao o núcleo da sua pergunta, tamanho físico (volume, área de superfície) de uma peça.

Além disso, você pode usar lâmpadas (estilo de filamento à moda antiga) e outras coisas que você conhece o tamanho e a potência (também conhecida como potência). Pense, por exemplo, em uma lâmpada de 40 W: Na temperatura ambiente, a superfície fica tão quente que você mal consegue tocá-la (o que pode ser traduzido em talvez 60 ° C). Uma caldeira de água (para a água do chá) leva algo da ordem de 2 kW e, com 1 l de água, sobe de 20 ° C para 100 ° C em cerca de um ou dois minutos (e se autodestruiria se não fosse desligada por Estenda esse conceito a outros dispositivos cotidianos dos quais você conhece: potência dissipada, tamanho, aumento da temperatura.

Funciona muito bem em muitos casos, se você só precisa ter uma idéia de algo que está pensando em construir.

Talvez uma lista do que os dispositivos do mundo real se dissipem seja uma boa referência. Smartphone 1-2W, laptop 10-30W, TV LCD de 50 "100W, computador de mesa 200-500W, aquecedor de ambiente 1500W.

A área da superfície e o movimento do ar (ventiladores) podem permitir várias ordens de magnitude de mais dissipação de calor na mesma temperatura; portanto, o design mecânico é importante para qualquer coisa que esquenta. Um secador de cabelo é do tamanho de uma caneca de café, ultrapassa os 1000W e é quente apenas na frente do ventilador, mas se você o desmontar, a serpentina de aquecimento poderá acender o papel. Mesmo 1W é suficiente para iniciar um incêndio se concentrado em uma área suficientemente pequena, digamos, por laser. Uma CPU de desktop que coloque 100W em 1cm ^ 2 pode abrir um buraco na placa-mãe se for deixada em funcionamento sem dissipador de calor, mas resfriada adequadamente, apenas aquecerá o dissipador de calor e a caixa ficará quente.

Se o seu projeto estiver abaixo de 0,1 W, você provavelmente não precisará se preocupar com o calor. A 1W, o metal na placa de circuito pode espalhar o calor o suficiente para permitir o resfriamento do ambiente. A 10W, você provavelmente precisará de um dissipador de calor de tamanho decente (que pode ser o caso) e / ou um ventilador. A 100W, você provavelmente precisará de um ventilador. Acima de 1000W, você efetivamente construiu um aquecedor de ambiente, e a queima das coisas dependerá ou não da velocidade com que você pode mover o calor para o ar circundante. Acima de 5000W, pode ser necessário desabafar o calor ao ar livre para evitar que a sala fique muito quente.

A maioria das pessoas não tem nada em casa que consome mais de alguns milhares de watts, sendo a maior carga individual provavelmente a secadora de roupas. Lembre-se de que 1W custa cerca de US $ 1 / ano para funcionar o tempo todo, portanto, qualquer coisa acima de algumas centenas de watts será cara de se custar, a menos que seja usada apenas de forma intermitente.

Você menciona corretamente o material como um fator. Todo material possui um calor específico, que informa a quantidade de energia na forma de calor que você precisa adicionar para um aumento de temperatura de 1K em uma amostra de 1g. Por exemplo, para aquecer 1g de água de 14,5 ° C a 15,5 ° C, você precisa de 4,186 J. (Esta é a definição da antiga unidade de 1 caloria).
Ao falar sobre o fluxo desse calor, você está interessado em resistência térmica (assim como deseja saber a resistência elétrica para descobrir a corrente elétrica). A resistência térmica é expressa em K / W (Kelvin por Watt) e indica a diferença de temperatura entre dois pontos quando o calor flui a uma determinada taxa (energia por unidade de tempo = potência). Ao ler a folha de dados de um componente de energia, você verá a resistência térmica entre a matriz e a carcaça, e da carcaça para o ambiente.

editar (referente à sua edição)
Para um estado de equilíbrio, os mesmos fatores são tocados: o calor específico determina a temperatura da matriz e as séries de resistências térmicas quanto calor pode ser drenado para o ambiente. Equilíbrio significa que este último é igual à energia que você dissipa.

Em resposta a "seria bom ter algumas regras práticas" ..

• se você não conseguir segurar o polegar, está muito quente. Ele precisará de um dissipador de calor.
• Descobri que mais de 2W dissipados em um DIP de 40 pinos tornam a superfície muito quente para tocar.
• mesmo apenas 1W é muito em um dissipador de calor TO-220 w / oa

Você provavelmente não encontrará muitos pacotes DIP de 40 pinos hoje em dia e, se o encontrar, parece duvidoso que eles se dissipem tanto quanto 2W. Menciono isso, pois fornece uma sensação útil de escala.

O pacote TO-220 ainda está forte, e é basicamente projetado para ser usado com dissipadores de calor. Essa aba de metal está lá por uma razão, então não faz muito sentido aquecer uma delas quando uma pia de alumínio e uma pitada de graxa térmica de contato são tão baratas e fáceis.