sưởi ấm từ tản điện

Cho đến ngày nay, tôi cảm thấy mình không có cảm giác trực quan tốt về việc tản điện biến thành sưởi ấm - nghĩa là, nếu tôi lãng phí 1 watt năng lượng như nhiệt vào một thiết bị có kích thước bằng cốc cà phê, thì nóng đến mức nào nó nhận được? Làm thế nào về 10 watt, 100, hoặc 1.000?

Tôi nhận ra khá rõ rằng lựa chọn vật liệu, luồng không khí, diện tích bề mặt, et cetra tạo ra sự khác biệt rất lớn. Tuy nhiên, thật tuyệt khi có một số quy tắc như một điểm khởi đầu để kiểm tra sự tỉnh táo xem một thiết bị sẽ mát, ấm, nóng một cách lố bịch hay nguy cơ đánh lửa.

Một số cách tiếp cận của bạn để ước tính mức độ nóng của dự án của bạn mà không cần mô hình hóa hoặc xây dựng thiết bị thực tế là gì?

BIÊN TẬP:

Chỉ cần làm rõ, tôi quan tâm nhiều hơn đến nhiệt độ trạng thái ổn định của thiết bị (hoặc ít nhất là "bề mặt cảm ứng") từ hoạt động liên tục; không phải là hiệu ứng làm nóng tức thời của một khoảnh khắc trên thiết bị.

Đối với một thiết bị mà bạn sẽ thường thấy một hình vẽ gọi là . Đây được gọi là điện trở nhiệt.$\theta_{JA}$

Điều này cho bạn biết rằng trong một môi trường xung quanh điển hình cho mỗi watt tiêu tan, thiết bị sẽ nóng lên x ° C so với môi trường xung quanh. Bạn phải bao gồm nhiệt độ môi trường xung quanh tính toán của bạn. Trong môi trường phòng thí nghiệm mở, nó có thể là 25 ° C nhưng trong thực tế bên trong vỏ của một số thiết bị điện tử, nó có thể nóng hơn nhiều.

Nếu bạn thêm một tản nhiệt bạn cần phải biết (ngưỡng cản ngã ba hợp cụ thể), θ C I (kháng trường cách điện, nếu có), θ tôi H (điện trở cách điện-tản nhiệt, nếu có), và cuối cùng θ H Một (điện trở nhiệt xung quanh.) Giống như điện trở thông thường, bạn có thể kết hợp chúng lại với nhau để có được con số cuối cùng cho việc thiết bị của bạn sẽ nóng lên bao nhiêu khi tiêu tan x watts.$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Khi nghĩ về việc sưởi ấm, bạn phải đi qua một số đơn vị khác nhau để có được một số con số hợp lý.

Sự tản nhiệt điện được đo bằng Watts. Năng lượng được đo bằng joules, và nhiệt lượng được đo bằng calo.

Chúng ta hãy uống một cốc nước điển hình - giả sử 300g nước (khoảng 300cc, một cốc cà phê điển hình) Bây giờ hãy nói rằng chúng ta có thứ gì đó tỏa ra 10W tản nhiệt. 10W là rất tốt, nhưng chúng ta đếm 10W trong bao lâu? Đó là nơi công thức:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Trong đó J là Joules và t là thời gian tính bằng giây}

có ích Một watt là một Joule mỗi giây. Vậy Joules = Watts × giây, ok? Vì vậy, nếu chúng ta làm nóng ở 10W trong 10 giây, chúng ta sẽ nhận được 100 Joules.

Bây giờ, lượng calo là lượng nhiệt cần thiết để làm nóng 1g nước thêm 1 ° C, và tương đương với 4.184 joules.

Điều đó có nghĩa là 100 Joules của chúng tôi tương đương (EDIT: 23,9 calo [1 calorie = 4.184 J, vì vậy 100 J * 1 calo / 4.184 J = 23.9 calo, không phải là 418,4 calo]). Hơn 300g nước của chúng tôi, đó sẽ là:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Mà bằng (EDIT: 0,08 ° C [không phải 1.395 ° C]) tăng nhiệt độ.

Vì vậy, 10 watt năng lượng trong 10 giây sẽ làm tăng nhiệt độ của nước trong cốc cà phê lên một chút (EDIT: một phần mười của một độ [không phải một độ rưỡi]).

Là một quy tắc trực quan và rất thô (nhưng hữu ích), tôi muốn đề cập đến các điện trở có kích cỡ khác nhau. Khá nhiều người biết đến điện trở "tiêu chuẩn" 1/4 W (hay còn gọi là 0207). Ngoài ra, bằng cách xem danh mục của nhà phân phối điện tử (hoặc có kinh nghiệm từ việc tiếp tục hack và sửa chữa đồ đạc), bạn có thể biết các điện trở lớn hơn và nhỏ hơn (kích thước SMD cho 1/4 W, 1/8 W, ... và điện trở công suất lớn hơn cho 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

Cách mà hầu hết các điện trở được thiết kế là bạn có thể chạy chúng ở công suất định mức của chúng ở nhiệt độ xung quanh 70 ° C hoặc 75 ° C, và bằng cách đó, bạn sẽ khiến chúng đạt đến nhiệt độ tối đa cho phép là 125 ° C hoặc 155 ° C (giá trị điển hình và phổ biến, kiểm tra bảng dữ liệu để biết chi tiết).

Do đó, bạn có mối quan hệ giữa công suất tiêu tán và tăng nhiệt độ (thứ gì đó theo thứ tự 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C lên đến 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C), và, để quay lại cốt lõi của câu hỏi của bạn, kích thước vật lý (khối lượng, diện tích bề mặt) của một phần.

Ngoài ra, bạn có thể sử dụng bóng đèn (kiểu dây tóc cũ) và những thứ khác mà bạn biết kích thước và sức mạnh (còn gọi là công suất). Hãy suy nghĩ ví dụ về bóng đèn 40 W: Ở nhiệt độ phòng (môi trường xung quanh), bề mặt trở nên nóng đến mức bạn vẫn có thể chạm vào nó (có thể chuyển đến có thể là 60 ° C). Một nồi hơi nước (đối với nước trà) mất một thứ gì đó theo thứ tự 2 kW và với 1 l nước, nó tăng từ 20 ° C đến 100 ° C trong khoảng một hoặc hai phút (và sẽ tự hủy nếu không tắt bộ điều chỉnh nhiệt của nó. Mở rộng khái niệm này đến các thiết bị hàng ngày khác mà bạn biết: công suất tiêu tán, kích thước, tăng nhiệt độ.

Hoạt động rất tốt trong nhiều trường hợp nếu bạn chỉ cần cảm nhận về thứ gì đó bạn đang xem xét để xây dựng.

Có lẽ một danh sách những gì các thiết bị trong thế giới thực tiêu tan sẽ là một tài liệu tham khảo tốt. Điện thoại thông minh 1-2W, máy tính xách tay 10-30W, TV LCD 50 "100W, máy tính để bàn 200-500W, máy sưởi không gian 1500W.

Diện tích bề mặt và chuyển động không khí (quạt) có thể cho phép một số đơn đặt hàng tản nhiệt lớn hơn ở cùng nhiệt độ, vì vậy thiết kế cơ học là vấn đề lớn đối với bất cứ thứ gì nóng. Một máy sấy tóc có kích thước bằng một cốc cà phê, chạy hơn 1000W và chỉ ấm trước máy thổi, nhưng nếu bạn tháo nó ra, cuộn dây đốt nóng có thể làm cháy giấy. Thậm chí 1W là rất nhiều để bắt đầu một đám cháy nếu tập trung vào một khu vực đủ nhỏ, bằng tia laser. Một CPU máy tính để bàn đặt 100W vào 1cm ^ 2 có thể thổi một lỗ trên bo mạch chủ nếu chạy không có tản nhiệt, nhưng làm mát đúng cách sẽ chỉ làm cho tản nhiệt nóng và vỏ máy nóng lên.

Nếu dự án của bạn chạy dưới 0,1W, có lẽ bạn không cần phải lo lắng về nhiệt. Ở mức 1W, kim loại trong bảng mạch có thể truyền nhiệt đủ để cho phép làm mát xung quanh. Ở mức 10W, bạn có thể cần một tản nhiệt có kích thước khá (có thể là trường hợp này) & / hoặc quạt. Ở 100W có thể bạn sẽ cần một cái quạt. Trên 1000W bạn đã chế tạo máy sưởi không gian một cách hiệu quả và việc nó có đốt cháy mọi thứ hay không sẽ phụ thuộc vào tốc độ bạn có thể di chuyển nhiệt vào không khí xung quanh. Trên 5000W bạn có thể cần phải thông hơi nóng ngoài trời để giữ cho căn phòng không bị quá nóng.

Hầu hết mọi người không có bất cứ thứ gì trong nhà có công suất hơn vài nghìn watt, tải đơn cao nhất có lẽ là máy sấy quần áo. Hãy nhớ rằng 1W tốn khoảng 1 đô la / năm để chạy mọi lúc, vì vậy, bất cứ thứ gì trên vài trăm watt sẽ tốn kém để sở hữu trừ khi nó chỉ được sử dụng không liên tục.

Bạn nói đúng về vật chất là một yếu tố. Mỗi vật liệu đều có nhiệt dung riêng, cho bạn biết bao nhiêu năng lượng dưới dạng nhiệt bạn phải thêm vào để tăng nhiệt độ 1K trên mẫu 1g. Chẳng hạn, để làm ấm 1g nước từ 14,5 ° C đến 15,5 ° C, bạn cần 4.186 J. (Đây là định nghĩa của đơn vị cũ là 1 calo).
Khi nói về dòng nhiệt này, bạn quan tâm đến điện trở nhiệt (giống như bạn muốn biết điện trở để tìm ra dòng điện). Độ bền nhiệt được biểu thị bằng K / W (Kelvin mỗi watt) và cho bạn biết mức chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm khi nhiệt truyền ở một tốc độ nhất định (năng lượng trên một đơn vị thời gian = công suất). Khi bạn đọc bảng dữ liệu của một thành phần năng lượng, bạn sẽ thấy điện trở nhiệt giữa khuôn và vỏ và từ vỏ đến môi trường xung quanh.

chỉnh sửa (liên quan đến chỉnh sửa của bạn)
Đối với trạng thái cân bằng, các yếu tố tương tự: nhiệt dung riêng xác định nhiệt độ của khuôn và loạt điện trở nhiệt có thể thoát nhiệt ra môi trường. Cân bằng có nghĩa là cái sau bằng với năng lượng bạn tiêu tán.

Để đáp lại "thật tuyệt khi có một số quy tắc" ..

• nếu bạn không thể giữ ngón tay cái của bạn trên nó, nó quá nóng. Nó sẽ cần một tản nhiệt trên nó.
• Tôi đã phát hiện ra rằng hơn 2W tiêu tan trong một DIP 40 chân khiến cho bề mặt quá nóng khi chạm vào.
• thậm chí chỉ 1W là rất nhiều trong tản nhiệt TO-220 w / oa

Bạn có thể sẽ không gặp quá nhiều gói DIP 40 pin trong những ngày này và nếu bạn làm như vậy, có vẻ như họ nghi ngờ rằng chúng sẽ tiêu tan nhiều như 2W. Tôi đề cập đến nó mặc dù nó cung cấp một cảm giác quy mô tiện dụng.

Mặc dù vậy, gói TO-220 vẫn hoạt động mạnh mẽ và được thiết kế cơ bản để sử dụng cho các bộ tản nhiệt. Cái tab kim loại đó là có lý do, vì vậy có rất ít điểm để chạy một trong những thứ nóng này khi bồn rửa bằng nhôm và miếng mỡ tiếp xúc nhiệt rất rẻ và dễ dàng.