pemanasan dari disipasi daya

Sampai hari ini, saya merasa seperti saya tidak memiliki perasaan intuitif yang baik untuk bagaimana disipasi daya berubah menjadi pemanasan - yaitu, jika saya membuang 1 watt daya sebagai panas ke perangkat seukuran cangkir kopi, seberapa panas tidak dapatkan? Bagaimana dengan 10 watt, 100, atau 1.000?

Saya sadar betul bahwa pemilihan material, aliran udara, luas permukaan, dan lain-lain membuat perbedaan besar. Namun, akan lebih baik memiliki beberapa aturan praktis sebagai titik tolak untuk memeriksa apakah suatu perangkat akan dingin, hangat, sangat panas, atau bahaya pengapian.

Apa saja pendekatan Anda untuk memperkirakan seberapa panas proyek Anda tanpa model atau membangun perangkat yang sebenarnya?

EDIT:

Hanya untuk memperjelas, saya lebih tertarik pada suhu tunak perangkat (atau setidaknya "permukaan sentuh") dari operasi yang berkelanjutan; bukan efek pemanasan sesaat pada perangkat.

Untuk perangkat Anda akan sering melihat berpola disebut . Ini disebut ketahanan termal.$\theta_{JA}$

Ini memberi tahu Anda bahwa dalam lingkungan sekitar yang khas untuk setiap watt yang dihamburkan, perangkat akan memanaskan x ° C di atas sekitar. Anda harus memasukkan suhu sekitar ke dalam perhitungan Anda. Dalam lingkungan lab terbuka, mungkin 25 ° C tetapi pada kenyataannya di dalam casing beberapa elektronik bisa jauh lebih panas.

Jika Anda menambahkan heatsink, Anda perlu tahu (resistansi case-junction), θ C I (resistansi case-insulator, jika ada), θ I H (resistansi heatsink isolasi, jika ada), dan akhirnya θ H A (resistansi ambient-ambient.) Seperti resistansi listrik normal Anda dapat menambahkan ini bersama-sama untuk mendapatkan angka akhir untuk seberapa banyak perangkat Anda akan memanas ketika menghilang x watt.$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Ketika berpikir tentang pemanasan Anda harus melalui sejumlah unit yang berbeda untuk mendapatkan beberapa angka yang masuk akal.

Pembuangan panas listrik diukur dalam Watt. Energi diukur dalam joule, dan panasnya sendiri diukur dalam kalori.

Mari kita ambil secangkir air yang khas - katakanlah 300g air (sekitar 300cc, secangkir kopi khas) Sekarang katakanlah kita memiliki sesuatu yang menghasilkan 10W dari pembuangan panas. 10W baik-baik saja, tapi berapa lama kita menghitung 10W? Di situlah rumusnya:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Di mana J adalah Joules, dan t adalah waktu dalam detik}

berguna. Satu Watt adalah satu Joule per detik. Jadi Joules = Watts × Detik, ok? Jadi jika kita panaskan pada 10W selama 10 detik, kita mendapatkan 100 Joule.

Sekarang, kalori adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1g air hingga 1 ° C, dan setara dengan 4,184 joule.

Itu artinya 100 Joule kita sama dengan (EDIT: 23,9 kalori [1 kalori = 4,184 J, jadi 100 J * 1 kalori / 4,184 J = 23,9 kalori, bukan 418,4 kalori]). Lebih dari 300g air kita, itu akan menjadi:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Yang sama dengan (EDIT: 0,08 ° C [bukan 1,395 ° C]) kenaikan suhu.

Jadi 10 watt daya selama 10 detik akan menaikkan panas air dalam cangkir kopi sedikit di bawah (EDIT: sepersepuluh derajat [bukan satu setengah derajat]).

Sebagai aturan praktis yang intuitif dan sangat kasar (tapi membantu), saya suka merujuk pada resistor dengan ukuran berbeda. Cukup banyak orang tahu "standar" 1/4 W resistor (alias 0207). Juga, dengan melihat katalog distributor elektronik (atau dengan pengalaman dari peretasan dan perbaikan yang terus-menerus), Anda mengenal resistor yang lebih besar dan lebih kecil (ukuran SMD untuk 1/4 W, 1/8 W, ... dan resistor daya yang lebih besar untuk 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

Cara sebagian besar resistor dirancang adalah Anda dapat menjalankannya pada daya terukurnya pada suhu sekitar 70 ° C atau 75 ° C, dan dengan melakukannya, Anda akan membuat mereka mencapai suhu maksimum yang diijinkan yaitu 125 ° C atau 155 ° C (nilai-nilai umum dan umum, periksa lembar data untuk detailnya).

Dengan demikian, Anda memiliki hubungan antara daya yang hilang dan kenaikan suhu (sesuatu dalam urutan 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C hingga 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C), dan, untuk kembali ke inti dari pertanyaan Anda, ukuran fisik (volume, luas permukaan) suatu bagian.

Juga, Anda dapat menggunakan bola lampu (gaya filamen jadul) dan hal-hal lain yang Anda ketahui ukuran dan kekuatannya (alias watt). Pikirkan misalnya bola lampu 40 W: Pada suhu ruangan (ambient), permukaan menjadi sangat panas sehingga Anda masih sulit menyentuhnya (yang artinya sekitar 60 ° C). Boiler air (untuk air teh) membutuhkan sekitar 2 kW dan dengan 1 l air, ia naik dari 20 ° C hingga 100 ° C dalam waktu sekitar satu atau dua menit (dan akan hancur sendiri jika tidak dimatikan oleh termostatnya. Perluas konsep ini ke perangkat sehari-hari lainnya yang Anda tahu: daya yang dihamburkan, ukuran, kenaikan suhu.

Bekerja sangat baik dalam banyak kasus jika Anda hanya perlu merasakan sesuatu yang Anda pertimbangkan untuk membangun.

Mungkin daftar perangkat dunia nyata yang hilang akan menjadi referensi yang bagus. Smartphone 1-2W, laptop 10-30W, TV LCD 50W 100 ", komputer desktop 200-500W, pemanas ruangan 1500W.

Area permukaan dan gerakan udara (kipas) dapat memungkinkan untuk beberapa kali lipat lebih banyak pembuangan panas pada suhu yang sama, sehingga desain mekanis merupakan masalah besar untuk apa pun yang menjadi panas. Pengering rambut seukuran cangkir kopi, lebih dari 1000W, dan hanya hangat di depan blower, tetapi jika Anda membukanya, koil pemanas mungkin menyalakan kertas. Bahkan 1W cukup untuk menyalakan api jika terkonsentrasi pada area yang cukup kecil, katakanlah dengan laser. CPU desktop yang memasukkan 100W ke dalam 1cm ^ 2 dapat membuat lubang di motherboard jika dibiarkan tanpa heatsink, tetapi didinginkan dengan benar hanya akan membuat heatsink panas dan casingnya hangat.

Jika proyek Anda berjalan di bawah 0,1W, Anda mungkin tidak perlu khawatir tentang panas. Pada 1W logam di papan sirkuit mungkin menyebarkan panas cukup untuk memungkinkan pendinginan sekitar. Pada 10W Anda mungkin perlu heatsink berukuran layak (yang mungkin terjadi) & / atau penggemar. Pada 100W Anda mungkin perlu kipas. Di atas 1000W Anda telah secara efektif membangun pemanas ruang, dan apakah itu membakar sesuatu atau tidak akan tergantung pada seberapa cepat Anda dapat memindahkan panas ke udara di sekitarnya. Di atas 5000W Anda mungkin perlu melampiaskan panas di luar ruangan agar ruangan tidak menjadi terlalu panas.

Kebanyakan orang tidak memiliki apa pun di rumah mereka yang menarik lebih dari beberapa ribu watt, beban tunggal tertinggi mungkin adalah pengering pakaian. Perlu diingat bahwa biaya 1W sekitar $ 1 / tahun untuk berjalan sepanjang waktu, jadi apa pun lebih dari beberapa ratus watt akan menjadi mahal untuk dimiliki kecuali itu hanya digunakan sebentar-sebentar.

Anda dengan tepat menyebut materi sebagai faktor. Setiap bahan memiliki panas spesifik, yang memberi tahu Anda berapa banyak energi dalam bentuk panas yang harus Anda tambahkan untuk kenaikan suhu 1K pada sampel 1g. Misalnya, untuk menghangatkan 1 g air dari 14,5 ° C hingga 15,5 ° C, Anda perlu 4,186 J. (Ini adalah definisi unit lama 1 kalori).
Ketika berbicara tentang aliran panas ini Anda tertarik pada hambatan termal (seperti Anda ingin mengetahui hambatan listrik untuk mengetahui arus listrik). Resistensi termal dinyatakan dalam K / W (Kelvin per Watt), dan memberi tahu Anda berapa banyak perbedaan suhu yang Anda dapatkan antara dua titik ketika panas mengalir pada tingkat tertentu (energi per unit waktu = daya). Saat Anda membaca lembar data komponen daya, Anda akan melihat tahanan termal antara die dan housing, dan dari housing ke ambient.

sunting (mengenai sunting Anda)
Untuk keadaan kesetimbangan, bermain faktor yang sama: panas spesifik menentukan suhu die dan serangkaian resistensi termal berapa banyak panas yang dapat dikeringkan ke lingkungan. Ekuilibrium berarti bahwa yang terakhir sama dengan energi yang Anda hilangkan.

Menanggapi "alangkah baiknya memiliki beberapa aturan praktis" ..

• jika Anda tidak dapat memegang ibu jari Anda di atasnya, itu terlalu panas. Ini akan membutuhkan heat sink di atasnya.
• Saya telah menemukan bahwa lebih dari 2W menghilang dalam DIP 40-pin membuat permukaan terlalu panas untuk disentuh.
• bahkan hanya 1W banyak dalam heat sink TO-220 w / oa

Anda mungkin tidak akan menemukan paket DIP 40 pin terlalu banyak hari ini, dan jika Anda melakukannya, tampaknya diragukan mereka akan menghilang sebanyak 2W. Saya menyebutkannya karena memberikan rasa skala yang berguna.

Paket TO-220 tetap kuat, dan pada dasarnya dirancang untuk digunakan dengan pendingin. Tab logam itu ada karena suatu alasan, jadi tidak ada gunanya menjalankan salah satu dari panas ini ketika aluminium tenggelam dan sedikit oli termal kontak sangat murah dan mudah.