calentamiento de la disipación de energía

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

Esto le indica que en un entorno ambiental típico para cada vatio disipado, el dispositivo calentará x ° C por encima de la temperatura 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 componentes electrónicos puede ser mucho más caliente.

Si agrega un disipador de calor, necesita saber \ $ \ theta_ {JC} \ $ (resistencia de empalme de unión), \ $ \ theta_ {CI} \ $ (resistencia de aislante de caja, si existe), \ $ \ theta_ {IH} \ $ (resistencia del disipador térmico de aislamiento, si existe), y finalmente \ $ \ theta_ {HA} \ $ (resistencia del disipador térmico al ambiente.) Al igual que la resistencia eléctrica normal, puede sumarlas para obtener una cifra final de cómo gran parte de su dispositivo se calentará cuando disipe x vatios.

Cuando piensas en calentar, debes pasar por varias unidades diferentes para obtener algunos números razonables.

La disipación de calor eléctrico se mide en vatios. La energía se mide en julios y el calor en sí mismo se mide en calorías.

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

• \ $ W = \ frac {J} {t} \ $

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

es muy útil. Un vatio es un Joule por segundo. Entonces Joules = Watts × Segundos, ok? Entonces, si calentamos a 10W durante 10 segundos, obtenemos 100 julios.

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

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

• \ $ T = \ frac {23.9} {300} \ $

Que es igual al aumento de temperatura (EDIT: 0.08 ° C [no 1.395 ° C]).

Por lo tanto, 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 de oro intuitiva y muy aproximada (pero útil), me gusta referirme a resistencias de diferentes tamaños. Casi todo el mundo conoce las resistencias de 1/4 W "estándar" (a.k.a. 0207). Además, al consultar el catálogo de un distribuidor de productos electrónicos (o con la experiencia de la piratería y reparación continuas), puede conocer resistencias más grandes y más pequeñas (tamaños SMD para 1/4 W, 1/8 W, ... y resistencias de mayor potencia). para 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

La forma en que se diseñan la mayoría de las resistencias 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, verifique las hojas de datos para obtener 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, a vuelva al núcleo de su pregunta, tamaño físico (volumen, área de superficie) de una parte.

También, puede usar bombillas (estilo de filamento de la vieja escuela) y otras cosas de las que sepa el tamaño y la potencia (a.k.a. vataje). 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 unos 60 ° C). Una caldera de agua (para agua de té) toma algo del orden de 2 kW y con 1 l de agua, se eleva de 20 ° C a 100 ° C en aproximadamente uno o dos minutos (y se autodestruiría si no se apagara). Su termostato. Extienda este concepto a otros dispositivos cotidianos de los que sabe: potencia disipada, tamaño, aumento de temperatura.

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

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

El área de la superficie y el movimiento del aire (ventiladores) pueden permitir varios órdenes de magnitud más 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 tiene el tamaño de una taza de café, tiene un tamaño de más de 1000 vatios y solo está caliente frente al soplador, pero si lo desarmó, 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, por ejemplo, con un láser. Una CPU de escritorio que ponga 100W en 1 cm ^ 2 puede hacer un agujero en la placa base si se deja funcionando sin un disipador térmico, pero si se enfría adecuadamente, solo calentará el disipador y la carcasa.

Si su proyecto funciona por debajo de 0.1W, probablemente no deba preocuparse por el calor. En 1W, el metal en la placa de circuito podría extender el calor lo suficiente como para permitir la refrigeración ambiental. En 10W probablemente necesitará un disipador de calor de tamaño decente (que podría ser el caso) y un ventilador. En 100W probablemente necesitarás un ventilador. Por encima de 1000W, efectivamente ha construido un calentador de espacio, y si se quema o no, las cosas dependerán de qué tan rápido pueda mover el calor hacia el aire circundante. Por encima de los 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 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 ejecutar todo el tiempo, por lo que cualquier cosa que supere unos pocos cientos de vatios será costosa de adquirir, a menos que se use de forma intermitente.

Con razón mencionas el material como un factor. Cada material tiene un calor específico, que le indica la cantidad de energía en forma de calor que debe agregar para un aumento de temperatura de 1 K en una muestra de 1 g. 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 antigua de 1 caloría). Cuando se habla del flujo de este calor, está interesado en la resistencia térmica (tal como desea conocer la resistencia eléctrica para descubrir la corriente eléctrica). La resistencia térmica se expresa en K / W (Kelvin por vatio) y le indica la diferencia de temperatura que obtiene entre dos puntos cuando el calor fluye a una cierta velocidad (energía por unidad de tiempo = potencia). Cuando lea la hoja de datos de un componente de energía, verá resistencia térmica entre la matriz y la carcasa, y desde la carcasa hasta el ambiente.

editar (con respecto a tu edición)
Para un estado de equilibrio, los mismos factores juegan: el calor específico determina la temperatura de la matriz y la serie de resistencias térmicas, la cantidad de calor que se puede drenar al medio ambiente. Equilibrio significa que este último es igual a la energía que disipas.

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

• si no puedes sostener el pulgar, hace demasiado calor. Necesitará un disipador de calor en él.
• Descubrí que más de 2W disipado en un DIP de 40 pines hace que la superficie sea demasiado caliente para tocarla.
• incluso solo 1W es mucho en un TO-220 sin un disipador de calor

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

Sin embargo, el paquete TO-220 sigue funcionando bien, y está básicamente diseñado para ser utilizado con disipadores de calor. Esa lengüeta de metal está ahí por una razón, por lo que no tiene mucho sentido ejecutar una de estas en caliente cuando un fregadero de aluminio y un poco de grasa térmica de contacto son tan baratos y fáciles.