Calefacción por disipación de potencia

Question

Hasta el día de hoy, siento que no tengo un buen sentido intuitivo de cómo la disipación de energía se convierte en calor - es decir, si desperdicio 1 vatio de energía como calor en un dispositivo del tamaño de una taza de café, ¿a qué temperatura llega? ¿Y si son 10, 100 o 1,000 vatios?

Me doy cuenta bastante bien de que la selección de materiales, el flujo de aire, la superficie, etc., hacen una gran diferencia. Sin embargo, sería útil tener algunas reglas prácticas como punto de partida para verificar si un dispositivo se mantendría frío, caliente, ridículamente caliente o representaría un peligro de ignición.

¿Cuáles son algunos de tus enfoques para estimar a qué temperatura llegaría tu proyecto sin modelar o construir el dispositivo real?

EDICIÓN:

Para aclarar, estoy más interesado en la temperatura en estado estable del dispositivo (o al menos de las "superficies táctiles") después de un funcionamiento continuo; no en los efectos inmediatos de calentamiento de un dispositivo encendido momentáneamente.

Answer 1

Cuando piensas en calefacción, tienes que pasar por una serie de unidades diferentes para obtener algunos números sensatos.

La disipación de calor eléctrico se mide en Watts. La energía se mide en julios, y el calor en sí se mide en calorías.

Vamos a tomar una taza típica de agua, digamos 300g de agua (aproximadamente 300cc, una taza de café típica). Ahora digamos que tenemos algo que emite 10W de disipación de calor. 10W está muy bien, pero ¿durante cuánto tiempo contamos los 10W? Ahí es donde entra en juego la fórmula:

• \$W=\frac{J}{t}\$

Donde J es Joules, y t es el tiempo en segundos

resulta útil. Un vatio es un julio por segundo. Entonces Joules = Watts × Segundos, ¿vale? Entonces si calentamos a 10W durante 10 segundos, obtenemos 100 Joules.

Ahora, la caloría es la cantidad de calor requerida para calentar 1g de agua en 1°C, y es equivalente a 4.184 julios.

Eso significa que nuestros 100 Joules son iguales a (EDITAR: 23.9 calorías [1 caloría = 4.184 J, entonces 100 J * 1 caloría / 4.184 J = 23.9 calorías, no 418.4 calorías]). Sobre nuestros 300g de agua, eso sería:

• \$T=\frac{23.9}{300}\$

Lo que equivale a (EDITAR: 0.08°C [no 1.395°C]) aumento de temperatura.

Entonces, 10 vatios de potencia durante 10 segundos elevarían la temperatura del agua en la taza de café poco menos de (EDITAR: una décima de grado [no uno y medio grados]).

Answer 2

Para un dispositivo a menudo verás una figura llamada \$\theta_{JA}\$. Esto se llama resistencia térmica.

Esto te dice que en un entorno ambiental típico, por cada vatio disipado, el dispositivo se calentará x°C por encima de la temperatura ambiente. Debes incluir la temperatura ambiente en tu cálculo. En un entorno de laboratorio abierto, puede ser de 25°C, pero en realidad dentro del carcasa de algunos dispositivos electrónicos puede ser mucho más caliente.

Si añades un disipador de calor, necesitas saber \$\theta_{JC}\$ (resistencia de unión-carcasa), \$\theta_{CI}\$ (resistencia carcasa-aislante, si la hay), \$\theta_{IH}\$ (resistencia aislante-disipador de calor, si la hay), y finalmente \$\theta_{HA}\$ (resistencia disipador de calor-ambiental). Al igual que la resistencia eléctrica normal, puedes sumar estos valores para obtener una cifra final de cuánto se calentará tu dispositivo cuando disipe x vatios.

Answer 3

Como regla general intuitiva y muy aproximada (pero útil), me gusta referirme a resistencias de diferentes tamaños. Prácticamente todo el mundo conoce las resistencias "estándar" de 1/4 W (también conocidas como 0207). Además, al mirar el catálogo de un distribuidor de electrónica (o con la experiencia de hackear y reparar cosas), se llega a conocer resistencias más grandes y más pequeñas (tamaños SMD para 1/4 W, 1/8 W, ... y resistencias de mayor potencia para 2 W, 4 W, 5 W, 11 W, ...).

La mayoría de las resistencias están diseñadas de tal manera que se pueden operar a su potencia nominal a una temperatura ambiente de 70 °C o 75 °C, y al hacerlo, se les hace alcanzar su temperatura máxima permitida de 125 °C o 155 °C (valores típicos y comunes, consultar las hojas de datos para más detalles).

Por lo tanto, hay una relación entre la potencia disipada y el aumento de temperatura (algo en el orden de 125 °C - 70 °C = 55 °C hasta 155 °C - 70 °C = 85 °C), y, para volver al núcleo de tu pregunta, tamaño físico (volumen, área superficial) de una pieza.

También puedes utilizar bombillas (estilo de filamento antiguo) y otras cosas de las que conoces el tamaño y la potencia (también conocida como potencia en vatios). Piensa, por ejemplo, en una bombilla de 40 W: A temperatura ambiente, la superficie se calienta justo lo suficiente como para que apenas puedas tocarla (lo que se traduce en quizás 60 °C). Un calentador de agua (para agua de té) consume algo del orden de 2 kW y con 1 l de agua, eleva la temperatura de 20 °C a 100 °C en aproximadamente uno o dos minutos (y se autodestruiría si no se apaga por su termostato. Extiende este concepto a otros dispositivos cotidianos de los que conoces: potencia disipada, tamaño, aumento de temperatura.

Funciona muy bien en muchos casos si solo necesitas tener una idea de algo que estás considerando construir.

Answer 4

Tú mencionas acertadamente al material como un factor. Cada material tiene un calor específico, el cual te dice cuánta energía en forma de calor debes añadir para un aumento de 1K en la temperatura de una muestra de 1g. Por ejemplo, para calentar 1g de agua de 14.5°C a 15.5°C necesitas 4.186 J. (Esta es la definición de la antigua unidad de 1 caloría).
Al hablar del flujo de este calor, te interesa la resistencia térmica (igual que quieres conocer la resistencia eléctrica para averiguar la corriente eléctrica). La resistencia térmica se expresa en K/W (Kelvin por vatio) y te dice cuánta diferencia de temperatura obtienes entre dos puntos cuando el calor fluye a cierta tasa (energía por unidad de tiempo = potencia). Cuando lees la hoja de especificaciones de un componente de potencia, verás la resistencia térmica entre el dado y la carcasa, y de la carcasa al ambiente.

editar (con respecto a tu edición)
Para un estado de equilibrio, los mismos factores entran en juego: el calor específico determina la temperatura del dado y la serie de resistencias térmicas cuánto calor puede ser drenado al ambiente. El equilibrio significa que este último es igual a la energía que disipas.

Answer 5

En respuesta a "sería bueno tener algunas reglas prácticas" ..

• si no puedes mantener el dedo pulgar sobre él, está demasiado caliente. Necesitará un disipador de calor.
• He encontrado que más de 2W disipados en un DIP de 40 pines hace que la superficie sea demasiado caliente para tocar.
• incluso solo 1W es mucho en un TO-220 sin un disipador de calor

Probablemente no encuentres demasiados paquetes DIP de 40 pines en estos días, y si lo haces, parece poco probable que estén disipando tanto como 2W. Lo menciono sin embargo, ya que proporciona una útil comparación.

El paquete TO-220 sigue siendo muy utilizado y básicamente está diseñado para ser utilizado con disipadores de calor. Esa pestaña metálica está ahí por una razón, por lo que no tiene mucho sentido hacer funcionar uno de estos a alta temperatura cuando un disipador de aluminio y un toque de grasa térmica de contacto son tan baratos y fáciles.