¿Qué fórmulas se pueden usar para calcular la cantidad de voltios y corriente que se necesita para que una resistencia se caliente a una cierta temperatura?
Necesito un resistor (o unos pocos uno junto al otro, para una superficie más caliente) para calentar hasta unos 200 grados centígrados. Debe ser alimentado a través de una fuente de alimentación de CC, preferiblemente unas pocas baterías alcalinas AA.
¿Puede ayudarme en lo que necesito buscar para construir esto?
La energía y la temperatura están relacionadas a través de la capacidad de calor:
\ $ \ Delta T = \ dfrac {\ Delta Q} {C} \ $
donde \ $ \ Delta T \ $ es el aumento de temperatura, \ $ \ Delta Q \ $ la energía neta (térmica) agregada y \ $ C \ $ la capacidad de calor. El último depende de los materiales y capacidad de calor específica es una propiedad fija para una sustancia por unidad de masa.
Supongamos que el calor específico es comparable al de la cerámica, que es aproximadamente 1 J / (g K). Luego, para una resistencia de 7W wirewound 10W :
\ $ \ Delta T = \ dfrac {\ Delta Q} {7 g \ cdot 1 J / (g K)} \ $
para que la aplicación de 0.11J (100mW durante 1s) genere un aumento de temperatura de
\ $ \ Delta T = \ dfrac {0.1 J} {7 g \ cdot 1 J / (g K)} = 0.014 ° C \ $
Eso no es mucho, pero esta es una resistencia de 10W. Hagamos lo mismo con un
\ $ \ Delta T = \ dfrac {0.1 J} {1 mg \ cdot 1 J / (g K)} = 100 ° C \ $
ignorando las pérdidas al medio ambiente. Por lo tanto, no puede decir qué voltaje o potencia se necesita para calentar la resistencia a 200 ° C. La pequeña resistencia alcanza pronto una temperatura muy alta, sin aplicar mucha energía. Tendrá que definir qué energía térmica necesita, y luego podremos hablar nuevamente.
La resistencia de 10W mencionada puede alcanzar los 250 ° C, como se muestra en el gráfico a continuación,
peroaaltastemperaturasambientalesdebereducirse,enestecasosignificaquesolopuededisipar4Wenlugarde10Wa200°C.Esoesporquepuedeintercambiarmenoscalorconelambientesiladiferenciadetemperaturaesmenor.
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¿Perolaprimeraecuaciónnosignificaquelatemperaturaseguiráaumentandosimantengolaalimentación?Enteoría,sí,ypuedeshacerunaconfiguracióndondeestosuceda.Enlapráctica,no,porqueamedidaqueagregaenergía,tambiénperderápartedeellaenelmedioambiente.Cuantomayorsealadiferenciadetemperatura,mayorserálapérdidadeenergía.Entonces,amedidaqueagregamásenergía,latemperaturaaumentará,ytambiénloharálapérdidadeenergía,hastaquealcanceelpuntodondelapérdidadeenergíaseaigualalaenergíaagregada.Elsistemaestáentoncesenequilibrioylatemperaturasemantendráconstante.
Tambiénesposiblequelatemperaturadelambientetambiénaumente.Luego,latemperaturadelaresistenciaseguiráeseaumentohastaqueladiferenciadetemperaturavuelvaaserlamisma.
Lavelocidadalaqueseintercambiaelcalordependedeladiferenciadetemperaturaylaresistenciatérmica.Esteúltimoesdifícildedeterminarydependecompletamentedecómosecolocalaresistencia.Puedequetengasqueencontrarloexperimentalmente.
Lecturascomplementarias
Tu pregunta tiene varias facetas. Primero, la potencia disipada por una resistencia puede expresarse de diferentes maneras. Considere la ley de Ohm, y es de esperar que todos estos sean equivalentes:
$$ Watts = Volts \ times Amps = \ dfrac {Volts ^ 2} {Ohms} = Amps ^ 2 \ times Ohms $$
Pero eso es solo una parte del problema. La otra parte es la cantidad de vatios que necesitas para alcanzar la temperatura deseada. Eso es mucho más difícil de responder en bucle abierto. Para obtener una guía general, consulte una hoja de datos de una resistencia representativa. Esto debería mostrarle cuál es la resistencia térmica al ambiente. Digamos solo por ejemplo (no he mirado y esto podría ser una gran desventaja, su trabajo para obtener los números correctos) que alguna resistencia de montaje en superficie tiene una clasificación de 100 ° C / vatio. Eso significa que si desea que esté a 100 ° C por encima del ambiente, debe descargar 1 W de energía eléctrica en él.
Sin embargo, eso es solo una guía aproximada. La hoja de datos no puede conocer los detalles de la cantidad de cobre (que conduce bien el calor) que se conecta a las almohadillas, la conductividad térmica del substrato y, por supuesto, esto varía significativamente con la velocidad del flujo de aire. Para cualquier otra cosa que no sea un control de temperatura muy aproximado, necesita retroalimentación de temperatura. Montaría un termistor u otro sensor de temperatura en el centro de la gama de resistencias y un circuito de control variaría la tensión o la corriente de las resistencias para regular la temperatura.
Otro problema es que 200 ° C está por encima de la temperatura máxima de funcionamiento de muchas resistencias. Revise la hoja de datos cuidadosamente. También debe considerar el material sobre el que se montan estas resistencias y si puede tardar 200 ° C durante largos períodos de tiempo. Todo esto es un problema bastante más complicado de lo que puede parecer a primera vista.
Yo diría que no se puede calentar un grupo de resistencias regulares de hasta 200 grados centígrados sin que se quemen literalmente. Una mejor solución sería utilizar material apropiado para esto, como una resistencia utilizada en calderas o duchas eléctricas.
Además, la alimentación de una resistencia como la de las pilas alcalinas AA no es práctica, ya que las necesitaría muchas y no durarían mucho (la resistencia de los calentadores suele ser muy baja).
En cuanto a las fórmulas, ciertamente necesitará la potencia que está aplicando a la resistencia, que puede obtener con \ $ P = V ^ 2 / R \ $ y algo que relacione esta potencia con la capacidad de calefacción del cuerpo que está intentando controlar la temperatura (más sobre esto pronto ... Tengo que cavar un poco mi memoria y ahora estoy un poco corto de tiempo :))