calentamiento por disipación de energía

Hasta el día de hoy, siento que no tengo una buena sensación intuitiva de cómo la disipación de energía se convierte en calefacción, es decir, si desperdicio 1 vatio de energía como calor en un dispositivo del tamaño de una taza de café, qué tan caliente ¿se consigue? ¿Qué tal 10 vatios, 100 o 1,000?

Me doy cuenta bastante bien de que la selección de materiales, el flujo de aire, el área de superficie, etc., hacen grandes diferencias. Sin embargo, sería bueno tener algunas reglas generales como punto de partida para verificar si un dispositivo sería frío, cálido, ridículamente caliente o un peligro de ignición.

¿Cuáles son algunos de sus enfoques para estimar qué tan caliente se pondrá su proyecto sin modelar o construir el dispositivo real?

EDITAR:

Solo para aclarar, estoy más interesado en la temperatura de estado estable del dispositivo (o al menos las "superficies táctiles") de la operación continua; no los efectos de calentamiento inmediato de un dispositivo momentáneamente.

Para un dispositivo, a menudo verá una figura llamada . Esto se llama resistencia térmica.$\theta_{JA}$

Esto le indica que en un entorno ambiente típico por cada vatio disipado, el dispositivo se calentará x ° C por encima del ambiente. Debe incluir la temperatura ambiente en su cálculo. En un entorno de laboratorio abierto, puede ser de 25 ° C, pero en realidad dentro de la carcasa de algunos dispositivos electrónicos puede hacer mucho más calor.

Si agrega un disipador de calor, necesita saber (resistencia de caja de conexiones), (resistencia de aislante de caja, si la hay), (resistencia de disipador de calor, si la hay) , y finalmente (resistencia del disipador térmico-ambiente). Al igual que la resistencia eléctrica normal, puede agregarlos para obtener una cifra final de cuánto se calentará su dispositivo cuando se disipe x vatios. θ C I θ I H θ H $\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Al pensar en calentar, debe pasar por varias unidades diferentes para obtener algunos números razonables.

La disipación de calor eléctrica se mide en vatios. La energía se mide en julios, y el calor en sí se mide en calorías.

Tomemos una taza de agua típica, digamos 300 g de agua (aproximadamente 300 cc, una taza de café típica). Ahora digamos que tenemos algo que emite 10W de disipación de calor. 10W está muy bien, pero ¿por cuánto tiempo contamos los 10W? Ahí es donde está la fórmula:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Donde J es Joules, y t es tiempo en segundos}

Viene muy bien. Un vatio es un julio por segundo. Entonces Joules = Watts × Segundos, ¿de acuerdo? Entonces, si calentamos a 10W durante 10 segundos, obtenemos 100 julios.

Ahora, la caloría es la cantidad de calor requerida para calentar 1 g de agua por 1 ° C, y es equivalente a 4.184 julios.

Eso significa que nuestros 100 julios es igual a (EDITAR: 23.9 calorías [1 caloría = 4.184 J, entonces 100 J * 1 caloría / 4.184 J = 23.9 calorías, no 418.4 calorías]). Sobre nuestros 300 g de agua, eso sería:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Lo que equivale a (EDITAR: 0.08 ° C [no 1.395 ° C]) aumento de temperatura.

Entonces, 10 vatios de potencia durante 10 segundos elevarían un poco el calor del agua en la taza de café (EDITAR: una décima de grado [no uno y medio grados]).

Como regla general intuitiva y muy aproximada (pero útil), me gusta referirme a resistencias de diferentes tamaños. Casi todos conocen las resistencias "estándar" de 1/4 W (también conocido como 0207). Además, al mirar el catálogo de un distribuidor de productos electrónicos (o con la experiencia de piratería continua y reparación de cosas), puede conocer resistencias más grandes y más pequeñas (tamaños SMD para 1/4 W, 1/8 W, ... y resistencias de potencia más grandes para 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

La forma en que la mayoría de las resistencias están diseñadas es que puede ejecutarlas a su potencia nominal a una temperatura ambiente de 70 ° C o 75 ° C, y al hacerlo, hará que alcancen su temperatura máxima permitida de 125 ° C o 155 ° C (valores típicos y comunes, consulte las hojas de datos para más detalles).

Por lo tanto, tiene una relación entre la potencia disipada y el aumento de temperatura (algo del orden de 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C hasta 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C), y, para volver a El núcleo de su pregunta, el tamaño físico (volumen, área de superficie) de una parte.

Además, puede usar bombillas (estilo de filamento de la vieja escuela) y otras cosas de las que conoce el tamaño y la potencia (también conocida como potencia). Piense, por ejemplo, en una bombilla de 40 W: a temperatura ambiente (ambiente), la superficie se calienta tanto que apenas puede tocarla (lo que se traduce en quizás 60 ° C). Una caldera de agua (para el agua de té) toma algo del orden de 2 kW y con 1 l de agua, aumenta de 20 ° C a 100 ° C en aproximadamente uno o dos minutos (y se autodestruiría si no se apagara por su termostato. Extienda este concepto a otros dispositivos cotidianos que conozca: potencia disipada, tamaño, aumento de temperatura.

Funciona muy bien en muchos casos si solo necesita tener una idea de algo que está considerando construir.

Quizás una lista de lo que disipan los dispositivos del mundo real sería una buena referencia. Smartphone 1-2W, laptop 10-30W, TV LCD de 50 "100W, computadora de escritorio 200-500W, calentador de espacio 1500W.

El área de superficie y el movimiento del aire (ventiladores) pueden permitir varias órdenes de magnitud más de disipación de calor a la misma temperatura, por lo que el diseño mecánico es un gran problema para cualquier cosa que se caliente. Un secador de pelo es aproximadamente del tamaño de una taza de café, tiene más de 1000 W y solo está caliente frente al soplador, pero si lo desmonta, la bobina de calentamiento podría encender el papel. Incluso 1W es suficiente para iniciar un incendio si se concentra en un área lo suficientemente pequeña, digamos con un láser. Una CPU de escritorio que pone 100W en 1cm ^ 2 puede hacer un agujero en la placa base si se deja funcionando sin disipador de calor, pero si se enfría adecuadamente solo hará que el disipador de calor se caliente y la carcasa se caliente.

Si su proyecto se ejecuta por debajo de 0.1W, probablemente no necesite preocuparse por el calor. A 1W, el metal en la placa de circuito puede propagar el calor lo suficiente como para permitir el enfriamiento ambiental. A 10 W, probablemente necesitará un disipador térmico de tamaño decente (que podría ser el caso) y / o un ventilador. A 100 W, probablemente necesitará un ventilador. Por encima de 1000W, ha construido efectivamente un calentador de espacio, y si quema o no las cosas dependerá de qué tan rápido pueda mover el calor al aire circundante. Por encima de 5000W, es posible que deba ventilar el calor al aire libre para evitar que la habitación se caliente demasiado.

La mayoría de las personas no tienen nada en su casa que consuma más de unos pocos miles de vatios, la carga más alta probablemente sea la secadora de ropa. Tenga en cuenta que 1W cuesta alrededor de $ 1 / año para funcionar todo el tiempo, por lo que cualquier cosa de más de unos cientos de vatios será costoso de poseer a menos que solo se use de forma intermitente.

Usted menciona correctamente el material como factor. Cada material tiene un calor específico, que le indica cuánta energía en forma de calor tiene que agregar para un aumento de temperatura de 1K en una muestra de 1g. Por ejemplo, para calentar 1 g de agua de 14.5 ° C a 15.5 ° C necesita 4.186 J. (Esta es la definición de la unidad anterior de 1 caloría).
Cuando habla sobre el flujo de este calor, le interesa la resistencia térmica (al igual que quiere saber la resistencia eléctrica para descubrir la corriente eléctrica). La resistencia térmica se expresa en K / W (Kelvin por vatio) y le indica cuánta diferencia de temperatura obtiene entre dos puntos cuando el calor fluye a una velocidad determinada (energía por unidad de tiempo = potencia). Cuando lea la hoja de datos de un componente de potencia, verá resistencia térmica entre el troquel y la carcasa, y desde la carcasa al ambiente.

editar (con respecto a su edición)
Para un estado de equilibrio juegan los mismos factores: el calor específico determina la temperatura del dado y la serie de resistencias térmicas cuánto calor puede drenarse al medio ambiente. Equilibrio significa que este último es igual a la energía que disipa.

En respuesta a "sería bueno tener algunas reglas generales".

• Si no puede mantener el pulgar sobre él, hace demasiado calor. Necesitará un disipador de calor.
• Descubrí que más de 2W disipados en un DIP de 40 pines hacen que una superficie sea demasiado caliente para tocarla.
• incluso solo 1W es mucho en un TO-220 sin disipador de calor

Probablemente no encuentre demasiados paquetes DIP de 40 pines en estos días, y si lo hace, parece dudoso que se disipen tanto como 2W. Sin embargo, lo menciono ya que proporciona un sentido práctico de la escala.

Sin embargo, el paquete TO-220 sigue siendo fuerte y está básicamente diseñado para usarse con disipadores de calor. Esa lengüeta de metal está ahí por una razón, por lo que no tiene mucho sentido calentar uno de estos cuando un fregadero de aluminio y una pequeña cantidad de grasa térmica de contacto son tan baratos y fáciles.