chauffage par dissipation de puissance

À ce jour, j'ai l'impression de ne pas avoir une bonne idée intuitive de la façon dont la dissipation de puissance se transforme en chauffage - c'est-à-dire, si je gaspille 1 watt d'énergie sous forme de chaleur dans un appareil de la taille d'une tasse de café, à quelle température ça devient? Que diriez-vous de 10 watts, 100 ou 1000?

Je me rends bien compte que la sélection des matériaux, le flux d'air, la surface, et cetra font d'énormes différences. Cependant, il serait bien d'avoir des règles empiriques comme point de départ pour vérifier si un appareil serait frais, chaud, ridiculement chaud ou s'il y a un risque d'allumage.

Quelles sont certaines de vos approches pour estimer la chaleur de votre projet sans modélisation ou construction de l'appareil réel?

ÉDITER:

Juste pour clarifier, je suis plus intéressé par la température à l'état stationnaire de l'appareil (ou au moins les "surfaces tactiles") du fonctionnement continu; pas les effets de chauffage immédiats d'un moment sur l'appareil.

$\theta_{JA}$

Cela vous indique que dans un environnement ambiant typique pour chaque watt dissipé, l'appareil chauffera x ° C au-dessus de la température ambiante. Vous devez inclure la température ambiante dans votre calcul. Dans un environnement de laboratoire ouvert, il peut être de 25 ° C mais en réalité à l'intérieur du boîtier de certains appareils électroniques, il peut être beaucoup plus chaud.

$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Lorsque vous pensez au chauffage, vous devez passer par un certain nombre d'unités différentes pour obtenir des chiffres raisonnables.

La dissipation thermique électrique est mesurée en watts. L'énergie est mesurée en joules et la chaleur elle-même est mesurée en calories.

Prenons une tasse d'eau typique - disons 300 g d'eau (environ 300 cc, une tasse de café typique) Supposons maintenant que nous avons quelque chose qui dégage 10 W de dissipation thermique. 10W c'est très bien, mais combien de temps comptons-nous les 10W? C'est là que la formule:

• $W=\frac{J}{t}$

^{Où J est Joules et t est le temps en secondes}

est très pratique. Un Watt est un Joule par seconde. Donc Joules = Watts × Secondes, d'accord? Donc, si nous chauffons à 10 W pendant 10 secondes, nous obtenons 100 Joules.

Maintenant, la calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 g d'eau à 1 ° C et équivaut à 4,184 joules.

Cela signifie que nos 100 joules sont égaux à (EDIT: 23,9 calories [1 calorie = 4,184 J, donc 100 J * 1 calorie / 4,184 J = 23,9 calories, pas 418,4 calories]). Sur nos 300g d'eau, ce serait:

• $T=\frac{23.9}{300}$

Ce qui équivaut (EDIT: 0,08 ° C [et non 1,395 ° C]) à une augmentation de température.

Donc, 10 watts de puissance pendant 10 secondes augmenteraient un peu moins la chaleur de l'eau dans la tasse de café (EDIT: un dixième de degré [pas un degré et demi]).

En tant que règle empirique intuitive et très approximative (mais utile), j'aime faire référence à des résistances de différentes tailles. Presque tout le monde connaît les résistances "standard" 1/4 W (aka 0207). De plus, en consultant le catalogue d'un distributeur d'électronique (ou avec l'expérience de piratage et de réparation continus), vous découvrez des résistances de plus en plus petites (tailles CMS pour 1/4 W, 1/8 W, ... et des résistances de puissance plus grandes pour 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

La façon dont la plupart des résistances sont conçues est que vous pouvez les faire fonctionner à leur puissance nominale à une température ambiante de 70 ° C ou 75 ° C, et ce faisant, vous les ferez atteindre leur température maximale autorisée de 125 ° C ou 155 ° C (valeurs typiques et communes, consultez les fiches techniques pour plus de détails).

Ainsi, vous avez une relation entre la puissance dissipée et l'augmentation de température (quelque chose de l'ordre de 125 ° C - 70 ° C = 55 ° C jusqu'à 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C), et, pour revenir à au cœur de votre question, la taille physique (volume, surface) d'une pièce.

En outre, vous pouvez utiliser des ampoules (style filament à l'ancienne) et d'autres choses dont vous connaissez la taille et la puissance (également en watts). Pensez par exemple à une ampoule de 40 W: à température ambiante (ambiante), la surface devient tellement chaude que vous pouvez à peine la toucher (ce qui se traduit par peut-être 60 ° C). Une chaudière à eau (pour l'eau de thé) prend quelque chose de l'ordre de 2 kW et avec 1 l d'eau, elle passe de 20 ° C à 100 ° C en environ une ou deux minutes (et s'autodétruirait si elle n'était pas arrêtée par son thermostat. Etendez ce concept à d'autres appareils du quotidien dont vous connaissez: puissance dissipée, taille, élévation de température.

Fonctionne très bien dans de nombreux cas si vous avez juste besoin de ressentir quelque chose que vous envisagez de construire.

Peut-être qu'une liste de ce que les appareils du monde réel dissipent serait une bonne référence. Smartphone 1-2W, ordinateur portable 10-30W, TV LCD 50 "100W, ordinateur de bureau 200-500W, radiateur 1500W.

La surface et le mouvement de l'air (ventilateurs) peuvent permettre une dissipation de chaleur de plusieurs ordres de grandeur plus à la même température, donc la conception mécanique est un gros problème pour tout ce qui chauffe. Un sèche-cheveux a à peu près la taille d'une tasse de café, fonctionne sur 1000 W et n'est chaud que devant le ventilateur, mais si vous le démontez, la bobine de chauffage peut enflammer le papier. Même 1W est suffisant pour allumer un feu s'il est concentré sur une zone suffisamment petite, par exemple par un laser. Un processeur de bureau mettant 100 W dans 1 cm ^ 2 peut faire un trou dans la carte mère s'il est laissé en marche sans dissipateur thermique, mais correctement refroidi ne fera que chauffer le dissipateur thermique et le boîtier chaud.

Si votre projet fonctionne en dessous de 0,1 W, vous n'avez probablement pas à vous soucier de la chaleur. À 1 W, le métal de la carte de circuit imprimé peut diffuser suffisamment de chaleur pour permettre le refroidissement ambiant. À 10 W, vous aurez probablement besoin d'un dissipateur thermique de taille décente (ce qui pourrait être le cas) et / ou d'un ventilateur. À 100W, vous aurez probablement besoin d'un ventilateur. Au-dessus de 1000 W, vous avez effectivement construit un radiateur, et le fait qu'il brûle ou non dépendra de la vitesse à laquelle vous pourrez déplacer la chaleur dans l'air ambiant. Au-dessus de 5000 W, vous devrez peut-être évacuer la chaleur à l'extérieur pour empêcher la pièce de devenir trop chaude.

La plupart des gens n'ont rien dans leur maison qui consomme plus de quelques milliers de watts, la charge unique la plus élevée étant probablement le sèche-linge. Gardez à l'esprit que 1W coûte environ 1 $ / an pour fonctionner tout le temps, donc tout ce qui dépasse quelques centaines de watts va coûter cher à moins qu'il ne soit utilisé que par intermittence.

Vous mentionnez à juste titre le matériel comme un facteur. Chaque matériau a une chaleur spécifique, qui vous indique la quantité d'énergie sous forme de chaleur que vous devez ajouter pour une augmentation de température de 1K sur un échantillon de 1g. Par exemple, pour chauffer 1 g d'eau de 14,5 ° C à 15,5 ° C, vous avez besoin de 4,186 J. (C'est la définition de l'ancienne unité de 1 calorie).
Lorsque vous parlez du flux de cette chaleur, vous vous intéressez à la résistance thermique (tout comme vous voulez connaître la résistance électrique pour connaître le courant électrique). La résistance thermique est exprimée en K / W (Kelvin par Watt) et vous indique la différence de température que vous obtenez entre deux points lorsque la chaleur circule à un certain taux (énergie par unité de temps = puissance). Lorsque vous lisez la fiche technique d'un composant de puissance, vous verrez la résistance thermique entre la matrice et le boîtier, et du boîtier à la température ambiante.

modifier (concernant votre modification)
Pour un état d'équilibre, les mêmes facteurs jouent: la chaleur spécifique détermine la température de la filière et la série de résistances thermiques combien de chaleur peut être drainée vers l'environnement. L'équilibre signifie que cette dernière est égale à l'énergie que vous dissipez.

En réponse à "ce serait bien d'avoir des règles de base" ..

• si vous ne pouvez pas tenir votre pouce dessus, il fait trop chaud. Il lui faudra un dissipateur thermique.
• J'ai trouvé que plus de 2 W dissipés dans un DIP à 40 broches rend la surface trop chaude au toucher.
• même juste 1 W, c'est beaucoup dans un dissipateur de chaleur TO-220 sans oa

Vous ne rencontrerez probablement pas trop de packages DIP à 40 broches ces jours-ci, et si vous le faites, il semble douteux qu'ils se dissiperont jusqu'à 2W. Je le mentionne cependant car il fournit un sens pratique de l'échelle.

Le boîtier TO-220 est toujours aussi solide et est essentiellement conçu pour être utilisé avec des dissipateurs de chaleur. Cette languette métallique est là pour une raison, il n'y a donc aucun intérêt à en faire chauffer un quand un évier en aluminium et un peu de graisse thermique de contact sont si bon marché et faciles.