ความร้อนจากการกระจายพลังงาน

จนถึงทุกวันนี้ฉันรู้สึกว่าฉันไม่มีความรู้สึกที่ดีในแง่ที่ว่าการกระจายพลังงานกลายเป็นความร้อนได้อย่างไร - นั่นคือถ้าฉันใช้พลังงาน 1 วัตต์เป็นความร้อนในอุปกรณ์เท่ากับขนาดของแก้วกาแฟ มันได้หรือ 10 วัตต์, 100 หรือ 1,000 วัตต์

ฉันรู้ดีว่าการเลือกใช้วัสดุการไหลของอากาศพื้นที่ผิวและอื่น ๆ สร้างความแตกต่างอย่างมาก อย่างไรก็ตามมันเป็นเรื่องดีที่มีกฎของหัวแม่มือเป็นจุดเริ่มต้นในการตรวจสุขภาพจิตว่าอุปกรณ์จะเย็นร้อนอุ่นขันร้อนหรืออันตรายจากการจุดระเบิด

มีวิธีใดบ้างที่จะประเมินว่าโครงการของคุณร้อนแรงแค่ไหนโดยไม่ต้องสร้างแบบจำลองหรือสร้างอุปกรณ์จริง

แก้ไข:

เพื่อชี้แจงฉันสนใจในอุณหภูมิคงที่ของอุปกรณ์ (หรืออย่างน้อย "พื้นผิวแบบสัมผัส") จากการทำงานต่อเนื่อง ไม่ใช่เอฟเฟกต์การให้ความร้อนทันทีของอุปกรณ์สักครู่

สำหรับอุปกรณ์ที่คุณมักจะเห็นการคิดที่เรียกว่า{} สิ่งนี้เรียกว่าการต้านทานความร้อน$\theta_{JA}$

สิ่งนี้บอกคุณว่าในสภาพแวดล้อมทั่วไปสำหรับทุกวัตต์ที่กระจายอุปกรณ์จะร้อนขึ้นx ° C เหนือบรรยากาศ คุณต้องรวมอุณหภูมิโดยรอบในการคำนวณของคุณ ในห้องแล็บที่เปิดอยู่อาจเป็น 25 ° C แต่ในความเป็นจริงภายในกรอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางชนิดนั้นอาจร้อนกว่ามาก

หากคุณเพิ่มฮีทซิงค์คุณต้องรู้ (การต้านทานตัวแยกกรณี), (การป้องกันตัวพิมพ์เล็กและตัวพิมพ์ใหญ่ถ้ามี), (ความต้านทานฉนวนกันความร้อน - ฉนวนถ้ามี) และในที่สุด (การต้านทานฮีทซิงค์โดยรอบ) เช่นความต้านทานไฟฟ้าปกติคุณสามารถเพิ่มสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ตัวเลขสุดท้ายว่าอุปกรณ์ของคุณจะร้อนขึ้นเมื่อมันสลายตัวxวัตต์ θ C I θ I H θ H $\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

เมื่อคิดถึงการให้ความร้อนคุณจะต้องผ่านหน่วยต่าง ๆ จำนวนหนึ่งเพื่อให้ได้ตัวเลขที่สมเหตุสมผล

การกระจายความร้อนไฟฟ้ามีหน่วยวัดเป็นวัตต์ พลังงานวัดเป็นจูลและความร้อนนั้นวัดเป็นแคลอรี

ลองเอาแก้วน้ำทั่วไป - พูดน้ำ 300 กรัม (ประมาณ 300cc แก้วกาแฟทั่วไป) ตอนนี้สมมติว่าเรามีบางอย่างที่ให้ 10W ของการกระจายความร้อน 10W นั้นทำได้ดีมาก แต่เราจะนับ 10W นานแค่ไหน? นั่นคือที่สูตร:

• $W=\frac{J}{t}$

^{ที่Jคือ Joules และtคือเวลาในไม่กี่วินาที}

มีประโยชน์ หนึ่งวัตต์คือหนึ่งจูลต่อวินาที ดังนั้น Joules = Watts ×วินาทีโอเคไหม ดังนั้นถ้าเราร้อนที่ 10W เป็นเวลา 10 วินาทีเราจะได้ 100 จูล

ตอนนี้แคลอรี่คือปริมาณความร้อนที่ต้องใช้เพื่อให้ความร้อน 1 กรัมน้ำโดย 1 ° C และเทียบเท่ากับ 4.184 จูล

นั่นหมายความว่า 100 จูลของเราเท่ากับ (แก้ไข: 23.9 แคลอรี่ [1 แคลอรี่ = 4.184 เจ, ดังนั้น 100 เจ * 1 แคลอรี่ / 4.184 เจ = 23.9 แคลอรี่, ไม่ใช่ 418.4 แคลอรี่]) เหนือน้ำ 300 กรัมของเรานั่นคือ:

• $T=\frac{23.9}{300}$

ซึ่งเท่ากับ (แก้ไข: 0.08 ° C [ไม่ใช่ 1.395 ° C]) อุณหภูมิสูงขึ้น

ดังนั้นกำลังไฟ 10 วัตต์เป็นเวลา 10 วินาทีจะทำให้ความร้อนของน้ำในแก้วกาแฟเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (แก้ไข: หนึ่งในสิบขององศา [ไม่ใช่หนึ่งและครึ่งองศา])

ในฐานะที่เป็นกฎง่ายๆที่ใช้งานง่ายและหยาบ (แต่มีประโยชน์) ฉันต้องการอ้างถึงตัวต้านทานที่มีขนาดต่างกัน ทุกคนรู้ดีว่าตัวต้านทาน 1/4 มาตรฐาน (หรือ 0207) นอกจากนี้โดยการดูแคตตาล็อกของผู้จัดจำหน่ายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (หรือมีประสบการณ์จากการแฮ็คและซ่อมแซมสิ่งต่าง ๆ อย่างต่อเนื่อง) คุณจะได้รู้จักตัวต้านทานที่ใหญ่และเล็กกว่า (ขนาด SMD สำหรับ 1/4 W, 1/8 W, ... และตัวต้านทานพลังงานขนาดใหญ่ สำหรับ 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ... )

วิธีที่ตัวต้านทานส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบคือคุณสามารถเรียกใช้พวกมันด้วยกำลังไฟที่อุณหภูมิแวดล้อมที่ 70 ° C หรือ 75 ° C และด้วยการทำเช่นนั้นคุณจะทำให้พวกมันถึงอุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาตได้ที่ 125 ° C หรือ 155 ° C (ค่าปกติและทั่วไปตรวจสอบแผ่นข้อมูลเพื่อดูรายละเอียด)

ดังนั้นคุณมีความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานที่กระจายไปและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (บางสิ่งบางอย่างตามลำดับที่ 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C สูงสุดถึง 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C) และเพื่อกลับไปที่ แก่นแท้ของคำถามขนาดร่างกาย (ปริมาตรพื้นที่ผิว) ของชิ้นส่วน

นอกจากนี้คุณยังสามารถใช้หลอดไฟ (รูปแบบไส้หลอดแบบโรงเรียนเก่า) และสิ่งอื่น ๆ ที่คุณรู้ขนาดและพลัง (กำลังวัตต์) ลองนึกถึงตัวอย่างของหลอดไฟ 40 วัตต์: ที่อุณหภูมิห้อง (บรรยากาศ) พื้นผิวจะร้อนมากจนคุณยังไม่สามารถสัมผัสได้ (ซึ่งแปลว่าอาจเป็น 60 ° C) หม้อต้มน้ำ (สำหรับน้ำชา) ใช้อะไรในลำดับ 2 kW และ 1 ลิตรน้ำมันเพิ่มขึ้นจาก 20 ° C ถึง 100 ° C ในเวลาประมาณหนึ่งหรือสองนาที (และจะทำลายตัวเองถ้าไม่ปิดโดย เทอร์โมสตัทของมันขยายแนวคิดนี้ไปยังอุปกรณ์ประจำวันอื่น ๆ ที่คุณรู้ว่า: กำลังไฟ, ขนาด, การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

ทำงานได้ดีมากในหลายกรณีหากคุณต้องการรับความรู้สึกสำหรับสิ่งที่คุณกำลังพิจารณาที่จะสร้าง

บางทีรายการสิ่งที่อุปกรณ์ในโลกแห่งความจริงจะเป็นข้อมูลอ้างอิงที่ดี สมาร์ทโฟน 1-2W, แล็ปท็อป 10-30W, 50 "LCD TV 100W, คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป 200-500W, พื้นที่ทำความร้อน 1500W

พื้นที่พื้นผิวและการเคลื่อนไหวของอากาศ (พัดลม) สามารถอนุญาตให้มีการกระจายความร้อนได้หลายระดับที่อุณหภูมิเดียวกันดังนั้นการออกแบบทางกลจึงเป็นเรื่องใหญ่สำหรับทุกสิ่งที่ร้อนจัด ไดร์เป่าผมมีขนาดเท่ากับแก้วกาแฟที่มีความร้อนสูงกว่า 1,000 วัตต์และมีความอบอุ่นต่อหน้าพัดลมเท่านั้น แต่ถ้าคุณแยกออกจากกันขดลวดความร้อนอาจติดกระดาษ แม้แต่ 1W ก็เพียงพอที่จะจุดไฟถ้าจดจ่ออยู่กับพื้นที่ขนาดเล็กพอพูดด้วยเลเซอร์ ซีพียูเดสก์ท็อปที่ใส่ 100W ลงใน 1 ซม. ^ 2 สามารถเป่ารูในเมนบอร์ดหากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ใช้ฮีทซิงค์ แต่การระบายความร้อนอย่างเหมาะสมจะทำให้ฮีทซิงค์ร้อนและตัวเคสอุ่นเท่านั้น

หากโครงการของคุณทำงานต่ำกว่า 0.1W คุณอาจไม่ต้องกังวลเรื่องความร้อน ที่ 1W โลหะในแผงวงจรอาจกระจายความร้อนได้มากพอที่จะทำให้ความเย็นโดยรอบได้ ที่ 10W คุณอาจต้องใช้ฮีทซิงค์ขนาดที่เหมาะสม (ซึ่งอาจเป็นกรณี) & / หรือพัดลม ที่ 100W คุณอาจต้องการพัดลม มากกว่า 1,000 วัตต์คุณได้สร้างฮีตเตอร์อวกาศอย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่และมันจะเผาไหม้สิ่งต่าง ๆ หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับว่าคุณจะสามารถถ่ายเทความร้อนไปสู่อากาศรอบ ๆ ได้เร็วแค่ไหน สูงกว่า 5,000 วัตต์คุณอาจต้องระบายความร้อนภายนอกเพื่อป้องกันไม่ให้ห้องร้อนเกินไป

คนส่วนใหญ่ไม่มีอะไรในบ้านของพวกเขาที่ดึงดูดกว่าสองสามพันวัตต์โหลดสูงสุดเดียวอาจเป็นเครื่องเป่าเสื้อผ้า โปรดทราบว่า 1W มีค่าใช้จ่ายประมาณ $ 1 / ปีเพื่อให้ทำงานตลอดเวลาดังนั้นสิ่งที่เกินสองสามร้อยวัตต์จะมีราคาแพงในการเป็นเจ้าของเว้นแต่จะใช้เพียงช่วงเวลาเดียว

คุณพูดถึงสิ่งที่ถูกต้องเป็นปัจจัย วัสดุทุกชนิดมีความร้อนเฉพาะซึ่งจะบอกคุณว่าต้องเพิ่มพลังงานในรูปของความร้อนเท่าใดสำหรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 1K ในตัวอย่าง 1 กรัม ตัวอย่างเช่นในการอุ่นน้ำ 1 กรัมจาก 14.5 ° C ถึง 15.5 ° C คุณต้องมี 4.186 J. (นี่คือคำจำกัดความของหน่วยเก่าของ 1 แคลอรี่)
เมื่อพูดถึงการไหลของความร้อนนี้คุณสนใจความต้านทานความร้อน (เช่นคุณต้องการทราบความต้านทานไฟฟ้าเพื่อหากระแสไฟฟ้า) ความต้านทานความร้อนแสดงเป็น K / W (เคลวินต่อวัตต์) และบอกคุณว่าอุณหภูมิที่คุณได้รับระหว่างสองจุดแตกต่างกันเท่าใดเมื่อความร้อนไหลในอัตราที่แน่นอน (พลังงานต่อหน่วยของเวลา = พลังงาน) เมื่อคุณอ่านแผ่นข้อมูลของชิ้นส่วนพลังงานคุณจะเห็นความต้านทานความร้อนระหว่างตัวเรือนและตัวเรือนและจากตัวเรือนถึงสภาพแวดล้อม

การแก้ไข (เกี่ยวกับการแก้ไขของคุณ)
สำหรับสภาวะสมดุลการเล่นปัจจัยเดียวกัน: ความร้อนจำเพาะจะกำหนดอุณหภูมิของแม่พิมพ์และชุดของตัวต้านทานความร้อนว่าความร้อนจะระบายออกสู่สิ่งแวดล้อมได้มากแค่ไหน ความสมดุลหมายถึงหลังมีค่าเท่ากับพลังงานที่คุณกระจายไป

ในการตอบสนองต่อ "มันจะดีที่มีกฎของหัวแม่มือ" ..

• ถ้าคุณจับนิ้วโป้งไม่ได้มันก็ร้อนเกินไป มันจะต้องใช้แผ่นระบายความร้อน
• ฉันพบว่ามากกว่า 2W กระจายในกรมทรัพย์สินทางปัญญา 40 พินทำให้พื้นผิวร้อนเกินไปที่จะสัมผัส
• แม้เพียง 1W ก็มีจำนวนมากในชุดระบายความร้อน TO-220 w / oa

คุณอาจไม่พบแพคเกจกรมทรัพย์สินทางปัญญา 40 pin มากเกินไปในวันนี้และถ้าคุณทำดูเหมือนว่ายังมีข้อสงสัยว่าพวกเขาจะกระจายไปมากถึง 2W ฉันพูดถึงมันเพราะมันให้ความรู้สึกสะดวกสบาย

แพ็คเกจ TO-220 ยังคงแข็งแกร่งอยู่และได้รับการออกแบบโดยทั่วไปเพื่อใช้กับชุดระบายความร้อน แท็บโลหะนั้นมีเหตุผลอยู่เล็กน้อยดังนั้นจึงมีจุดเล็ก ๆ น้อย ๆ ในการทำให้เกิดความร้อนเมื่ออ่างอลูมิเนียมและจาระบีที่ใช้ในการสัมผัสมีราคาถูกและใช้งานง่าย