Heizung aus Verlustleistung

Bis heute habe ich das Gefühl, dass ich kein gutes intuitives Gefühl dafür habe, wie aus Verlustleistung Wärme wird - das heißt, wenn ich 1 Watt Strom als Wärme in ein Gerät von der Größe einer Kaffeetasse verschwende, wie heiß es ist es bekommen? Wie wäre es mit 10 Watt, 100 oder 1.000?

Mir ist klar, dass Materialauswahl, Luftstrom, Oberfläche usw. große Unterschiede machen. Es wäre jedoch schön, einige Faustregeln als Ausgangspunkt für die Überprüfung der Gesundheit zu haben, ob ein Gerät kühl, warm, lächerlich heiß oder eine Zündgefahr darstellt.

Was sind einige Ihrer Ansätze, um abzuschätzen, wie heiß Ihr Projekt wird, ohne das eigentliche Gerät zu modellieren oder zu bauen?

BEARBEITEN:

Zur Verdeutlichung interessiert mich mehr die stationäre Temperatur des Geräts (oder zumindest die "Berührungsflächen") aus dem fortgesetzten Betrieb; nicht die unmittelbaren Erwärmungseffekte eines momentanen auf das Gerät.

Bei einem Gerät wird häufig eine Figur mit dem Namen angezeigt . Dies nennt man Wärmewiderstand.$\theta_{JA}$

Dies zeigt Ihnen, dass sich das Gerät in einer typischen Umgebungsumgebung für jedes verbrauchte Watt x ° C über der Umgebungstemperatur erwärmt. Sie müssen die Umgebungstemperatur in Ihre Berechnung einbeziehen. In einer offenen Laborumgebung kann es 25 ° C sein, aber in Wirklichkeit kann es im Gehäuse einiger Elektronikgeräte viel heißer sein.

Wenn Sie einen Kühlkörper hinzufügen, müssen Sie (Sperrschichtwiderstand), θ C I (ggf. Isolatorwiderstand), θ I H (ggf. Isolationskühlkörperwiderstand) und schließlich θ H A kennen (Kühlkörper-Umgebungswiderstand.) Wie beim normalen elektrischen Widerstand können Sie diese addieren, um eine endgültige Zahl für die Erwärmung Ihres Geräts zu erhalten, wenn es x Watt verbraucht.$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Wenn Sie über das Heizen nachdenken, müssen Sie verschiedene Einheiten durchlaufen, um einige vernünftige Zahlen zu erhalten.

Die elektrische Wärmeableitung wird in Watt gemessen. Die Energie wird in Joule gemessen, und die Wärme selbst wird in Kalorien gemessen.

Nehmen wir eine typische Tasse Wasser - sagen wir 300 g Wasser (ca. 300 ccm, eine typische Kaffeetasse). Nehmen wir jetzt an, wir haben etwas, das 10 W Wärmeableitung abgibt. 10W ist alles sehr gut, aber wie lange zählen wir die 10W? Dort lautet die Formel:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Wobei J Joule ist und t die Zeit in Sekunden ist}

ist praktisch. Ein Watt ist ein Joule pro Sekunde. Also Joule = Watt × Sekunden, ok? Wenn wir also 10 Sekunden lang auf 10 W erhitzen, erhalten wir 100 Joule.

Die Kalorie ist nun die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 g Wasser um 1 ° C zu erhitzen, und entspricht 4,184 Joule.

Das bedeutet, dass unsere 100 Joule gleich sind (EDIT: 23,9 Kalorien [1 Kalorie = 4,184 J, also 100 J * 1 Kalorie / 4,184 J = 23,9 Kalorien, nicht 418,4 Kalorien]). Bei unseren 300 g Wasser wäre das:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Dies entspricht einem Temperaturanstieg (EDIT: 0,08 ° C [nicht 1,395 ° C]).

10 Watt Leistung für 10 Sekunden würden also die Wärme des Wassers in der Kaffeetasse um etwas weniger erhöhen (BEARBEITEN: ein Zehntel Grad [nicht eineinhalb Grad]).

Als intuitive und sehr grobe (aber hilfreiche) Faustregel beziehe ich mich gerne auf Widerstände unterschiedlicher Größe. Ziemlich jeder kennt die "Standard" 1/4 W Widerstände (auch bekannt als 0207). Wenn Sie sich den Katalog eines Elektronikhändlers ansehen (oder Erfahrung mit fortwährendem Hacken und Reparieren haben), lernen Sie größere und kleinere Widerstände kennen (SMD-Größen für 1/4 W, 1/8 W, ... und größere Leistungswiderstände für 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

Die meisten Widerstände sind so ausgelegt, dass Sie sie mit ihrer Nennleistung bei einer Umgebungstemperatur von 70 ° C oder 75 ° C betreiben können. Auf diese Weise erreichen Sie, dass sie ihre maximal zulässige Temperatur von 125 ° C oder 155 ° C erreichen ° C (typische und übliche Werte, siehe Datenblätter für Details).

Sie haben also eine Beziehung zwischen Verlustleistung und Temperaturanstieg (etwas in der Größenordnung von 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C bis 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C) und, um darauf zurückzukommen Der Kern Ihrer Frage ist die physische Größe (Volumen, Oberfläche) eines Teils.

Sie können auch Glühbirnen (Old-School-Filamentstil) und andere Dinge verwenden, deren Größe und Leistung Sie kennen (auch bekannt als Wattleistung). Denken Sie zum Beispiel an eine 40-W-Lampe: Bei Raumtemperatur (Umgebungstemperatur) wird die Oberfläche so heiß, dass Sie sie immer noch kaum berühren können (was möglicherweise 60 ° C entspricht). Ein Wasserkocher (für Teewasser) benötigt etwas in der Größenordnung von 2 kW und steigt mit 1 l Wasser in etwa ein oder zwei Minuten von 20 ° C auf 100 ° C (und würde sich selbst zerstören, wenn er nicht durch abgeschaltet würde Erweitern Sie dieses Konzept auf andere alltägliche Geräte, von denen Sie wissen: Verlustleistung, Größe, Temperaturanstieg.

Funktioniert in vielen Fällen sehr gut, wenn Sie nur ein Gefühl für etwas bekommen möchten, das Sie bauen möchten.

Vielleicht wäre eine Liste der tatsächlichen Geräte, die sich auflösen, eine gute Referenz. Smartphone 1-2W, Laptop 10-30W, 50 "LCD-Fernseher 100W, Desktop-Computer 200-500W, Raumheizung 1500W.

Oberfläche und Luftbewegung (Lüfter) können bei gleicher Temperatur mehrere Größenordnungen mehr Wärmeableitung ermöglichen. Daher ist das mechanische Design eine große Sache für alles, was heiß läuft. Ein Haartrockner hat etwa die Größe einer Kaffeetasse, eine Leistung von über 1000 W und ist nur vor dem Gebläse warm. Wenn Sie ihn jedoch zerlegen, entzündet die Heizspule möglicherweise Papier. Selbst 1 W reicht aus, um ein Feuer zu entfachen, wenn es auf einen ausreichend kleinen Bereich konzentriert ist, beispielsweise durch einen Laser. Eine Desktop-CPU mit 100 W in 1 cm ^ 2 kann ein Loch in das Motherboard sprengen, wenn sie ohne Kühlkörper läuft. Wenn sie jedoch richtig gekühlt wird, wird der Kühlkörper nur heiß und das Gehäuse warm.

Wenn Ihr Projekt unter 0,1 W läuft, müssen Sie sich wahrscheinlich keine Gedanken über Hitze machen. Bei 1 W kann das Metall in der Leiterplatte die Wärme so weit verteilen, dass eine Umgebungskühlung möglich ist. Bei 10 W benötigen Sie wahrscheinlich einen Kühlkörper mit angemessener Größe (was der Fall sein könnte) und / oder einen Lüfter. Bei 100W benötigen Sie wahrscheinlich einen Lüfter. Über 1000 W haben Sie effektiv eine Raumheizung gebaut, und ob sie brennt oder nicht, hängt davon ab, wie schnell Sie Wärme in die Umgebungsluft leiten können. Über 5000 W müssen Sie möglicherweise die Wärme im Freien ablassen, damit der Raum nicht zu heiß wird.

Die meisten Menschen haben nichts in ihrem Haus, das mehr als ein paar tausend Watt verbraucht. Die höchste Einzelladung ist wahrscheinlich der Wäschetrockner. Denken Sie daran, dass der Betrieb von 1W ungefähr 1 US-Dollar pro Jahr kostet. Daher ist der Besitz von mehr als ein paar hundert Watt teuer, es sei denn, es wird nur zeitweise verwendet.

Sie erwähnen zu Recht Material als Faktor. Jedes Material hat eine spezifische Wärme, die angibt, wie viel Energie in Form von Wärme Sie für einen Temperaturanstieg von 1 K bei einer Probe von 1 g hinzufügen müssen. Um beispielsweise 1 g Wasser von 14,5 ° C auf 15,5 ° C zu erwärmen, benötigen Sie 4,186 J. (Dies ist die Definition der alten Einheit von 1 Kalorie).
Wenn Sie über den Fluss dieser Wärme sprechen, interessieren Sie sich für den Wärmewiderstand (genau wie Sie den elektrischen Widerstand wissen möchten, um den elektrischen Strom herauszufinden). Der Wärmewiderstand wird in K / W (Kelvin pro Watt) ausgedrückt und gibt an, wie viel Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten besteht, wenn die Wärme mit einer bestimmten Geschwindigkeit fließt (Energie pro Zeiteinheit = Leistung). Wenn Sie das Datenblatt einer Leistungskomponente lesen, sehen Sie den Wärmewiderstand zwischen Chip und Gehäuse sowie vom Gehäuse zur Umgebung.

Bearbeiten (in Bezug auf Ihre Bearbeitung)
Für einen Gleichgewichtszustand spielen die gleichen Faktoren eine Rolle: Die spezifische Wärme bestimmt die Temperatur der Matrize und die Reihe der Wärmewiderstände, wie viel Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Gleichgewicht bedeutet, dass letzteres gleich der Energie ist, die Sie verbrauchen.

Als Antwort auf "Es wäre schön, ein paar Faustregeln zu haben".

• Wenn Sie Ihren Daumen nicht darauf halten können, ist es zu heiß. Es wird einen Kühlkörper benötigen.
• Ich habe festgestellt, dass mehr als 2 W in einem 40-Pin-DIP verbraucht sind und eine Oberfläche zu heiß ist, um sie zu berühren.
• Selbst nur 1 W ist viel in einem TO-220 ohne Kühlkörper

Sie werden heutzutage wahrscheinlich nicht auf zu viele 40-Pin-DIP-Pakete stoßen, und wenn Sie dies tun, scheint es zweifelhaft, dass sie bis zu 2 W verbrauchen werden. Ich erwähne es jedoch, da es einen praktischen Sinn für Skalierung bietet.

Das TO-220 - Gehäuse ist immer noch stark aber, und ist grundsätzlich ausgelegt mit Kühlkörpern verwendet werden. Diese Metalllasche ist aus einem bestimmten Grund vorhanden, daher macht es wenig Sinn, eine dieser Laschen heiß laufen zu lassen, wenn eine Aluminiumspüle und ein Tupfer Kontaktwärmefett so billig und einfach sind.