Confusión sobre los calentadores eléctricos

Question

Sé que un material semiconductor, que normalmente se utiliza para calentadores en una variedad de aplicaciones, se calienta debido a la alta corriente, que fluye a través de ellos o la disipación de alta potencia a través de ellos.

Pero digamos que algún material se va a calentar por más de 400°C si se le aplica algún voltaje, y además fluye una corriente alta a través de él. Pero, ¿qué pasa con los cables de alimentación que están conectados a los nodos del material calefactor, no deberían calentarse durante la misma cantidad de °C? Es decir, como esa corriente alta fluye a través de la carga (calentador) debe fluir también a través de los cables de alimentación, ¿no? Pero en la vida real los cables/alambres no se calientan tanto como la carga, que se utiliza para calentar algo.

¿Pero por qué es así? ¿No se trata del flujo de corriente sino de la disipación de potencia en los cables en comparación con la disipación de potencia en la carga (calentador)?

Un buen ejemplo es una máquina de soldar: los cables que suministran toda esa alta corriente y alto voltaje definitivamente no se calientan tanto como un punto de contacto, donde se suelda el material.

Answer 1

Esto se refiere al tipo más común de cable calefactor semiconductor que he instalado, el trazado de calor autorregulado. Hay una variedad de temperaturas disponibles, pero la mayor parte que he visto se utiliza para evitar que las líneas o los dispositivos se congelen.

En la imagen se puede ver que el cable está compuesto por dos hilos conductores de cobre estañado de baja resistencia conectados por un cuerpo de plástico semiconductor y, a continuación, una serie de capas de protección/aislamiento.

Diferentes materiales tienen diferentes resistencias por área transversal o resistividad, y un cable más grande tendrá menor resistencia dado el mismo material. La disipación de energía( \$P\$ ) es igual a la corriente ( \$I\$ ) al cuadrado por la resistencia( \$R\$ ) o la caída de tensión ( \$E\$ ) por la corriente, o en las fórmulas:

Ley de Watt:

\$P=I^2R\$

\$P=EI\$

Al controlar dónde está la resistencia, se controla dónde se disipa la potencia, y ese control es la función que realizan los cables calefactores semiconductores autorregulables.

El semiconductor se elige en función de la temperatura de regulación deseada para que tenga una alta resistencia a esa temperatura o por encima de ella, y una resistencia menor cuanto más por debajo de esa temperatura llegue. La ventaja de esta configuración es que el cable es capaz de proporcionar calor diferencial sólo donde se necesita en toda su longitud. Se puede tomar una línea de fontanería en el exterior que pase por varias temperaturas ambientales diferentes, colocar un solo cable a lo largo de toda su longitud y aislarlo. Como el cable produce calor sólo donde se necesita, no tiene que preocuparse de duplicarlo o de sobrecalentar la parte que está en un ambiente cálido. Además, puede mantener el cable conectado todo el año sin necesidad de controlar activamente el circuito, ya que en las épocas en que la temperatura es alta, la resistencia del semiconductor es elevada y se disipa muy poca energía. Para la función crítica del edificio, no utilizan más energía de la necesaria (en este caso de uso) para evitar que la tubería se congele y, por tanto, minimizan la carga eléctrica de un SAI o generador de reserva del edificio.

Los cables troncales de baja resistencia disipan muy poca energía, y sólo llevan la corriente a los lugares donde el semiconductor está lo suficientemente frío como para tener una menor resistencia. Siguen teniendo cierta disipación de energía, sobre todo cuando un cable se enciende por primera vez en un entorno más frío que el establecido y se produce un aumento de la corriente, pero están dimensionados para que su disipación de energía sea insignificante comparada con la del semiconductor una vez que éste ha alcanzado la temperatura normal de funcionamiento.

Por lo tanto, en algunos puntos a lo largo del cable, la temperatura caerá por debajo del punto de referencia y en estos puntos, la corriente fluye desde los cables de bus de baja resistencia a través de la resistencia comparativamente mucho más alta del semiconductor y produce calor. La resistencia del semiconductor en los puntos en los que fluye la corriente sigue siendo mucho mayor que la resistencia del cobre, pero lo suficientemente baja como para permitir que fluya la corriente.

La corriente aumenta proporcionalmente a la disminución de la resistencia, pero la potencia disipada aumenta por el cuadrado de la corriente, por lo que el dispositivo reacciona agresivamente para mantener su temperatura. Una disminución del 10% de la resistencia dará lugar a un aumento del 10% de la corriente y un aumento del 10% al cuadrado de la potencia disipada. Esto significa que cuanto más por debajo de su punto de consigna esté el cable, más rápidamente se calentará de nuevo hasta su punto de consigna.

He estado buscando un gráfico que muestre la "rodilla" de la resistencia del semiconductor, pero aún no he encontrado ninguno, pero espero que esto mejore la respuesta por ahora.

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Los cables tienen poca resistencia y generan poco calor.
El calentador tiene una resistencia mucho mayor y genera mucho calor.

Con un calentador de 10 amperios que fluye generaría 1000W, cable de 0,1 W cada uno.

Answer 2

Un elemento calefactor estará hecho de un material con una resistividad mucho mayor que los cables de alimentación de cobre, por lo que la mayor parte del calentamiento se producirá en el elemento calefactor, y muy poco en los cables de alimentación.