нагрев от рассеиваемой мощности

До сегодняшнего дня я чувствую, что у меня нет хорошего интуитивного представления о том, как рассеивание мощности превращается в нагревание, то есть, если я теряю 1 ватт энергии в виде тепла на устройство размером с кофейную кружку, как сильно нагревается это получить? Как насчет 10 ватт, 100 или 1000?

Я прекрасно понимаю, что выбор материала, воздушный поток, площадь поверхности и т. Д. Имеют огромное значение. Однако было бы неплохо иметь некоторые практические правила в качестве отправной точки для проверки работоспособности, будет ли устройство прохладным, теплым, смехотворно горячим или опасным для возгорания.

Каковы некоторые из ваших подходов, чтобы оценить, насколько горячим станет ваш проект без моделирования или создания реального устройства?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Просто чтобы уточнить, меня больше интересует установившаяся температура устройства (или, по крайней мере, «сенсорные поверхности») от продолжающейся работы; не немедленное нагревательное воздействие мгновенно на устройство.

Для устройства вы часто будете видеть фигурный называется . Это называется тепловым сопротивлением.$\theta_{JA}$

Это говорит о том, что в типичной окружающей среде на каждый рассеиваемый ватт устройство нагревается на х ° C выше температуры окружающей среды. Вы должны включить температуру окружающей среды в ваш расчет. В открытой лабораторной среде температура может быть 25 ° C, но на самом деле внутри корпуса некоторых электронных приборов может быть намного жарче.

Если вы добавляете теплоотвод, вам нужно знать (сопротивление распределительного кожуха), θ C I (сопротивление изолятора корпуса, если есть), θ I H (сопротивление изоляции теплоотвода, если есть) и, наконец, θ H A (Сопротивление радиатора и окружающей среды.) Как и обычное электрическое сопротивление, вы можете сложить их вместе, чтобы получить окончательную цифру того, насколько сильно ваше устройство будет нагреваться, когда оно рассеивает х ватт.$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Когда вы думаете о нагревании, вы должны пройти через несколько различных единиц, чтобы получить разумные цифры.

Электрическое тепловыделение измеряется в ваттах. Энергия измеряется в джоулях, а само тепло измеряется в калориях.

Давайте возьмем типичную кружку воды - скажем, 300 г воды (около 300 куб. См, обычная кофейная кружка). Теперь давайте представим, что у нас есть что-то, что выделяет 10 Вт рассеиваемого тепла. 10 Вт - это очень хорошо, но как долго мы рассчитываем на 10 Вт? Вот где формула:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Где J - джоуль, а t - время в секундах}

пригодится. Один ватт - это один джоуль в секунду. Итак, Джоулей = Ватты × Секунды, хорошо? Таким образом, если мы нагреваем 10 Вт в течение 10 секунд, мы получаем 100 Джоулей.

Теперь калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 ° C, и эквивалентно 4,184 Дж.

Это означает, что наши 100 Джоулей равны (РЕДАКТИРОВАТЬ: 23,9 калорий [1 калорий = 4,184 Дж, поэтому 100 Дж * 1 калорий / 4,184 Дж = 23,9 калорий, а не 418,4 калорий]). За наши 300 г воды это будет:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Что равно (EDIT: 0,08 ° C [не 1,395 ° C]) повышение температуры.

Таким образом, 10 ватт мощности в течение 10 секунд повысили бы температуру воды в кофейной кружке немного ниже (РЕДАКТИРОВАТЬ: одна десятая градуса (не полтора градуса)).

В качестве интуитивного и очень грубого (но полезного) эмпирического правила я хотел бы сослаться на резисторы разных размеров. Практически всем известны «стандартные» резисторы 1/4 Вт (он же 0207). Кроме того, взглянув на каталог дистрибьютора электроники (или имея опыт непрерывного взлома и ремонта), вы узнаете большие и меньшие резисторы (размеры SMD для 1/4 Вт, 1/8 Вт, ... и более мощные резисторы). для 2 Вт, 4 Вт, 5 Вт, 11 Вт, ...).

Конструкция большинства резисторов заключается в том, что вы можете запускать их при их номинальной мощности при температуре окружающей среды 70 ° C или 75 ° C, и таким образом вы заставите их достичь максимально допустимой температуры 125 ° C или 155 ° C. ° C (типичные и общие значения, проверьте технические данные для деталей).

Таким образом, у вас есть взаимосвязь между рассеиваемой мощностью и повышением температуры (что-то порядка 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C до 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C), и, чтобы вернуться к Суть вашего вопроса, физический размер (объем, площадь поверхности) части.

Кроме того, вы можете использовать лампочки (стиль накаливания старой школы) и другие вещи, размер и мощность которых вам известны (например, мощность). Например, лампочка мощностью 40 Вт: при комнатной (комнатной) температуре поверхность становится настолько горячей, что вы все еще можете едва касаться ее (что может означать 60 ° C). Водогрейный котел (для чайной воды) потребляет что-то порядка 2 кВт, а с 1 л воды он поднимается с 20 ° C до 100 ° C примерно за одну или две минуты (и самоуничтожится, если не отключится его термостат. Распространите эту концепцию на другие повседневные устройства, о которых вы знаете: рассеиваемая мощность, размеры, повышение температуры.

Работает очень хорошо во многих случаях, если вам просто нужно почувствовать что-то, что вы собираетесь создать.

Возможно, список того, что распространяют устройства реального мира, был бы хорошим справочным материалом. Смартфон 1-2 Вт, ноутбук 10-30 Вт, 50 "ЖК-телевизор 100 Вт, настольный компьютер 200-500 Вт, обогреватель 1500 Вт.

Площадь поверхности и движение воздуха (вентиляторы) могут на несколько порядков увеличивать тепловыделение при одной и той же температуре, поэтому механическая конструкция очень важна для всего, что нагревается. Фен размером с кофейную кружку имеет мощность более 1000 Вт и нагревается только перед вентилятором, но если разобрать его, нагревательная спираль может воспламенить бумагу. Даже 1 Вт достаточно для того, чтобы зажечь огонь, если сосредоточить его на достаточно маленькой площади, скажем, с помощью лазера. Процессор для настольных ПК, помещающий 100 Вт в 1 см ^ 2, может проделать дыру в материнской плате, если оставить его работать без радиатора, но при должном охлаждении радиатор только нагревается, а корпус нагревается.

Если ваш проект работает ниже 0,1 Вт, вам, вероятно, не нужно беспокоиться о тепле. При 1 Вт металл на плате может распространять тепло, достаточное для охлаждения окружающей среды. В 10 Вт вам, вероятно, понадобится радиатор приличного размера (что может быть так) и / или вентилятор. На 100 Вт вам, вероятно, понадобится вентилятор. Выше 1000 Вт вы эффективно построили обогреватель, и будет ли он сжигать или нет, будет зависеть от того, насколько быстро вы можете переносить тепло в окружающий воздух. Выше 5000 Вт может потребоваться отвести тепло на улице, чтобы в помещении не было слишком жарко.

У большинства людей в доме нет ничего, что потребляло бы несколько тысяч ватт, самой высокой из которых, вероятно, была сушилка для белья. Имейте в виду, что 1W стоит постоянно около $ 1 в год, поэтому все, что стоит за несколько сотен ватт, будет дорого, если только оно не используется периодически.

Вы справедливо упоминаете материал как фактор. У каждого материала есть удельная теплоемкость, которая говорит вам, сколько энергии в виде тепла вы должны добавить для повышения температуры на 1 К на образце 1 г. Например, чтобы согреть 1 г воды с 14,5 ° С до 15,5 ° С, нужно 4,186 Дж. (Это определение старой единицы 1 калории).
Говоря о потоке этого тепла, вы заинтересованы в тепловом сопротивлении (точно так же, как вы хотите узнать электрическое сопротивление, чтобы узнать электрический ток). Тепловое сопротивление выражается в К / Вт (Кельвин на ватт) и говорит вам, сколько разницы в температуре вы получаете между двумя точками, когда тепло течет с определенной скоростью (энергия в единицу времени = мощность). Когда вы прочитаете спецификацию силового компонента, вы увидите тепловое сопротивление между матрицей и корпусом, а также от корпуса к окружающей среде.

edit (относительно вашего редактирования)
Для состояния равновесия играют те же факторы: удельная теплоемкость определяет температуру матрицы и ряд термических сопротивлений, сколько тепла можно отвести в окружающую среду. Равновесие означает, что последний равен энергии, которую вы рассеиваете.

В ответ на "было бы неплохо иметь некоторые правила" ...

• если вы не можете держать на нем большой палец, это слишком жарко. Для этого понадобится радиатор.
• Я обнаружил, что более 40 Вт, рассеиваемые в 40-контактном DIP, делают поверхность слишком горячей для прикосновения.
• даже всего 1 Вт - это много в TO-220 без радиатора

В наши дни вы, вероятно, не встретите слишком много 40-контактных DIP-пакетов, и если вы это сделаете, то вряд ли они будут рассеиваться до 2 Вт. Я упоминаю это, хотя, поскольку это обеспечивает удобное чувство масштаба.

Пакет TO-220 по-прежнему крепок и в основном предназначен для использования с радиаторами. Эта металлическая вкладка существует по какой-то причине, поэтому не стоит запускать одну из них в горячем состоянии, когда алюминиевая раковина и капля контактной термопасты настолько дешевы и просты.