बिजली अपव्यय से हीटिंग

Question

आज तक, मुझे लगता है कि मेरे पास एक अच्छा सहज ज्ञान नहीं है कि बिजली का अपव्यय हीटिंग में कैसे बदल जाता है - अर्थात, अगर मैं 1 वाट बिजली को गर्मी के रूप में बेकार कर देता हूं जैसे कि एक कॉफी मग का आकार, कितना गर्म होता है मिल गया? कैसे के बारे में 10 वाट, 100, या 1,000?

मुझे यह अच्छी तरह से पता है कि सामग्री का चयन, वायु प्रवाह, सतह क्षेत्र, एट सेत्रा भारी अंतर करते हैं। हालाँकि, यह अच्छा होगा कि पवित्रता की जाँच के लिए एक प्रारंभिक बिंदु के रूप में कुछ नियम-अंगूठे हों, क्या कोई उपकरण ठंडा, गर्म, हास्यास्पद रूप से गर्म या एक इग्निशन खतरा होगा।

मॉडलिंग या वास्तविक डिवाइस के निर्माण के बिना आपकी परियोजना कितनी गर्म होगी, इसका अनुमान लगाने के लिए आपके कुछ दृष्टिकोण क्या हैं?

संपादित करें:

बस स्पष्ट करने के लिए, मैं निरंतर संचालन से डिवाइस (या कम से कम "स्पर्श सतहों") के स्थिर-राज्य तापमान में अधिक रुचि रखता हूं; डिवाइस पर एक पल के तात्कालिक हीटिंग प्रभाव नहीं।

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उदाहरण के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक कैप के लिए विस्तृत पेपर है। au.newark.com/pdfs/techarticles/cornell/thermalapplet.pdf लेकिन यह बहुत विस्तृत हो सकता है। मुझे याद है कि आश्चर्यजनक रूप से, बड़े कैपेसिटर में थर्मल पावर लगभग 100-200 मिलीवाट हो सकती है।

Answer 1

एक उपकरण के लिए आप अक्सर नामक एक । इसे थर्मल रेजिस्टेंस कहते हैं।$\theta_{JA}$

यह आपको बताता है कि प्रत्येक वाट के लिए एक विशिष्ट परिवेश परिवेश में, डिवाइस परिवेश के ऊपर x ° C को गर्म करेगा । आपको अपनी गणना में परिवेश का तापमान शामिल करना चाहिए। एक खुले प्रयोगशाला वातावरण में, यह 25 डिग्री सेल्सियस हो सकता है लेकिन वास्तव में कुछ इलेक्ट्रॉनिक्स के आवरण के अंदर यह अधिक गर्म हो सकता है।

यदि आप एक heatsink जोड़ते हैं, तो आपको (जंक्शन-केस प्रतिरोध), (केस-इंसुलेटर प्रतिरोध, यदि कोई हो), (इन्सुलेशन- heatsink प्रतिरोध, यदि कोई हो) , और अंत में (हीट- प्रतिरोध।) सामान्य विद्युत प्रतिरोध की तरह आप इसे जोड़ सकते हैं एक अंतिम आंकड़ा प्राप्त करने के लिए कि आपका डिवाइस कितना गर्म होगा जब यह एक्स वाट को विघटित करता है।$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

Answer 2

हीटिंग के बारे में सोचते समय आपको कुछ समझदार संख्या प्राप्त करने के लिए विभिन्न इकाइयों से गुजरना पड़ता है।

विद्युत ताप अपव्यय को वाट्स में मापा जाता है। ऊर्जा को जूल में मापा जाता है, और गर्मी को कैलोरी में मापा जाता है।

चलो पानी का एक विशिष्ट मग लेते हैं - 300 ग्राम पानी (लगभग 300cc, एक विशिष्ट कॉफी मग) कहते हैं अब हम कहते हैं कि हमारे पास कुछ ऐसा है जो 10W गर्मी की लंपटता देता है। 10W सभी बहुत अच्छी तरह से है, लेकिन हम कब तक 10W की गणना करते हैं? यही वह सूत्र है:

• $W=\frac{J}{t}$

^{जहां J जूल है, और t सेकंड में समय है}

काम मे आता है। एक वॉट एक जूल प्रति सेकंड है। तो जूल = वाट्स × सेकंड, ठीक है? इसलिए अगर हम 10W पर 10 सेकंड के लिए गर्म होते हैं, तो हमें 100 जूल मिल जाते हैं।

अब, कैलोरी 1 ° C से 1g पानी गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है, और 4.184 जूल के बराबर है।

इसका मतलब है कि हमारे 100 जूल समान हैं (EDIT: 23.9 कैलोरी [1 कैलोरी = 4.184 जे, इसलिए 100 जे * 1 कैलोरी / 4.184 जे = 23.9 कैलोरी, 418.4 कैलोरी नहीं]]। हमारे 300 ग्राम से अधिक पानी, जो होगा:

• $T=\frac{23.9}{300}$

जो बराबर होता है (EDIT: 0.08 ° C [नहीं 1.395 ° C]) तापमान वृद्धि।

तो 10 सेकंड के लिए 10 वाट की शक्ति कॉफी मग में पानी की गर्मी को थोड़ा कम कर देगी (EDIT: एक डिग्री का दसवां हिस्सा [डेढ़ डिग्री नहीं])।

Comments

@ जो भी नीचे लिखा है - क्या आप हमें बता सकते हैं कि आपने ऐसा क्यों किया, ताकि मैट अपने जवाब में सुधार कर सके?

— स्टीवनव

@ जो भी हो कृपया - यह जानना अच्छा होगा कि आपको इसके बारे में क्या पसंद नहीं आया। हालांकि यह सभी प्रश्नों का 100% उत्तर नहीं देता है, लेकिन यह गणित द्वारा उन सूचनाओं के पीछे प्रदर्शित करता है जो दूसरों ने दी हैं।

— मजेंको

कैलोरी वाला हिस्सा अतिश्योक्तिपूर्ण लगता है: निश्चित रूप से आपको बस पानी की विशिष्ट गर्मी और मग (J / gK) और मग के वजन की आवश्यकता है? इसके अलावा, जैसा कि संपादित किया गया है, प्रश्न एक स्थिर-राज्य परिदृश्य को निर्दिष्ट करता है, इसलिए आपको एक साथ समीकरणों को हल करने की आवश्यकता होगी जैसे कि 300W गर्मी इनपुट (माइक्रोवेव!) मूलांक की सतह से चमक और संवहन के माध्यम से कुल 300W गर्मी उत्पादन द्वारा संतुलित है। इसके लिए आपको परिवेश के तापमान, मग सामग्री की चालकता, एक सही इंसुलेटर से बनी सतह और ढक्कन की जरूरत होगी, जो सिस्टम से पानी खोने से

— बचाए

Answer 3

अंगूठे के एक सहज और बहुत ही मोटे (लेकिन सहायक) नियम के रूप में, मुझे विभिन्न आकारों के प्रतिरोधों का उल्लेख करना पसंद है। बहुत ज्यादा हर कोई "मानक" 1/4 डब्ल्यू प्रतिरोधों (उर्फ 0207) को जानता है। इसके अलावा, एक इलेक्ट्रॉनिक्स वितरक की सूची (या निरंतर हैकिंग और मरम्मत के सामान से अनुभव के साथ) को देखकर, आपको बड़े और छोटे प्रतिरोधों (एसएमडी आकार 1/4 डब्ल्यू, 1/8 डब्ल्यू, ... और बड़े बिजली प्रतिरोधों के बारे में पता चलता है) 2 डब्ल्यू, 4 डब्ल्यू, 5 डब्ल्यू, 11 डब्ल्यू, ...) के लिए।

जिस तरह से अधिकांश प्रतिरोधों को डिज़ाइन किया गया है, आप उन्हें 70 डिग्री सेल्सियस या 75 डिग्री सेल्सियस के परिवेश के तापमान पर अपनी रेटेड शक्ति पर चला सकते हैं और ऐसा करने से, आप उन्हें 125 डिग्री सेल्सियस या 155 के अपने अधिकतम स्वीकार्य तापमान तक पहुंचने का कारण बनेंगे। ° C (सामान्य और सामान्य मान, विवरण के लिए डेटा शीट की जाँच करें)।

इस प्रकार, आपके पास बिजली और तापमान में वृद्धि (125 ° C - 70 ° C = 55 ° C के क्रम में 155 ° C - 70 ° C = 85 ° C) के बीच एक संबंध है, और, वापस पाने के लिए आपके प्रश्न का मूल भाग का भौतिक आकार (आयतन, सतह क्षेत्र)।

इसके अलावा, आप प्रकाश बल्ब (पुराने-स्कूल फिलामेंट शैली) और अन्य चीजों का उपयोग कर सकते हैं, जिन्हें आप आकार और शक्ति (उर्फ वाटेज) जानते हैं। एक 40 डब्ल्यू बल्ब के उदाहरण के लिए सोचें: कमरे (परिवेश) के तापमान पर, सतह बस इतनी गर्म हो जाती है कि आप अभी भी इसे मुश्किल से छू सकते हैं (जो शायद 60 डिग्री सेल्सियस में बदल जाता है)। एक पानी बॉयलर (चाय के पानी के लिए) 2 किलोवाट के क्रम में कुछ लेता है और 1 लीटर पानी के साथ, यह लगभग एक या दो मिनट में 20 डिग्री सेल्सियस से 100 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है (और बंद न होने पर आत्म-विनाश होगा) इसके थर्मोस्टैट। इस अवधारणा को अन्य रोजमर्रा के उपकरणों में विस्तारित करें, जिन्हें आप जानते हैं: विघटित शक्ति, आकार, तापमान वृद्धि।

कई मामलों में बहुत अच्छी तरह से काम करता है अगर आपको सिर्फ उस चीज के लिए एक भावना प्राप्त करने की आवश्यकता है जिसे आप बनाने के लिए विचार कर रहे हैं।

Answer 4

शायद वास्तविक दुनिया के उपकरणों को अलग करने की एक सूची एक अच्छा संदर्भ होगी। स्मार्टफोन 1-2W, लैपटॉप 10-30W, 50 "एलसीडी टीवी 100W, डेस्कटॉप कंप्यूटर 200-500W, स्पेस हीटर 1500W।

सतह क्षेत्र और वायु आंदोलन (प्रशंसक) परिमाण के कई आदेशों के लिए एक ही तापमान पर अधिक गर्मी अपव्यय की अनुमति दे सकते हैं, इसलिए यांत्रिक डिजाइन गर्म चलने वाली किसी भी चीज के लिए एक बड़ी बात है। एक हेयर ड्रायर एक कॉफी मग के आकार के बारे में है, 1000 डब्ल्यू से अधिक चलता है, और केवल ब्लोअर के सामने गर्म होता है, लेकिन अगर आप इसे अलग ले गए, तो हीटिंग कॉइल पेपर को प्रज्वलित कर सकता है। यहां तक ​​कि 1W एक आग शुरू करने के लिए काफी है यदि एक छोटे से पर्याप्त क्षेत्र पर केंद्रित है, एक लेजर द्वारा कहा जाता है। एक डेस्कटॉप सीपीयू 100W को 1cm ^ 2 में डालने पर मदरबोर्ड में एक छेद हो सकता है यदि कोई हीट सिंक के साथ नहीं छोड़ा जाता है, लेकिन ठीक से ठंडा होने से केवल हीट गर्म होता है और केस गर्म होता है।

यदि आपकी परियोजना 0.1W से नीचे चलती है, तो आपको शायद गर्मी के बारे में चिंता करने की आवश्यकता नहीं है। 1W में सर्किट बोर्ड में धातु परिवेशीय शीतलन की अनुमति देने के लिए पर्याप्त गर्मी फैला सकती है। 10W में आपको शायद एक सभ्य आकार के हीटसिंक (जो मामला हो सकता है) और / या एक प्रशंसक की आवश्यकता होगी। 100W में आपको शायद एक प्रशंसक की आवश्यकता होगी। 1000W से ऊपर आपने प्रभावी रूप से एक स्पेस हीटर का निर्माण किया है, और यह जलती है या नहीं, यह इस बात पर निर्भर करेगा कि आप कितनी तेजी से गर्मी को आसपास की हवा में स्थानांतरित कर सकते हैं। 5000W से ऊपर आपको कमरे को बहुत गर्म होने से बचाने के लिए गर्मी को बाहर करने की आवश्यकता हो सकती है।

अधिकांश लोगों के पास अपने घर में कुछ भी नहीं होता है जो कुछ हज़ार वाट से अधिक खींचता है, उच्चतम एकल लोड शायद कपड़े ड्रायर है। ध्यान रखें कि हर समय चलाने के लिए 1W की लागत $ 1 / वर्ष है, इसलिए कुछ सौ वाटों पर कुछ भी महंगा होने जा रहा है जब तक कि इसे केवल रुक-रुक कर इस्तेमाल नहीं किया जाता है।

Answer 5

आप एक कारक के रूप में सामग्री का सही उल्लेख करते हैं। प्रत्येक सामग्री में एक विशिष्ट ऊष्मा होती है, जो आपको बताती है कि 1K नमूने पर 1K तापमान वृद्धि के लिए आपको ऊष्मा के रूप में कितनी ऊर्जा मिलानी है। उदाहरण के लिए, 14.5 ° C से 15.5 ° C तक 1g पानी गर्म करने के लिए आपको 4.186 J. (यह 1 कैलोरी की पुरानी इकाई की परिभाषा है)।
इस ताप के प्रवाह के बारे में बात करते समय आप थर्मल प्रतिरोध में रुचि रखते हैं (ठीक उसी तरह जैसे आप विद्युत प्रवाह का पता लगाना चाहते हैं)। थर्मल प्रतिरोध K / W (केल्विन प्रति वाट) में व्यक्त किया जाता है, और आपको बताता है कि एक निश्चित दर (गर्मी प्रति समय = ऊर्जा) पर ऊर्जा प्रवाहित होने पर आपको दो बिंदुओं के बीच तापमान में कितना अंतर होता है। जब आप पावर कंपोनेंट की डेटशीट पढ़ते हैं तो आपको मरने और आवास के बीच और आवास से परिवेश तक के बीच थर्मल प्रतिरोध दिखाई देगा।

संपादित करें (अपने संपादन के बारे में)
एक संतुलन राज्य के लिए समान कारक खेलते हैं: विशिष्ट गर्मी मरने के तापमान और थर्मल प्रतिरोधों की श्रृंखला को निर्धारित करती है कि पर्यावरण को कितनी गर्मी से सूखा जा सकता है। संतुलन का अर्थ है कि उत्तरार्द्ध आपके द्वारा प्रसारित ऊर्जा के बराबर है।

Answer 6

के जवाब में "यह अच्छा होगा कि कुछ नियम हों," ।।

• यदि आप इस पर अपना अंगूठा नहीं रख सकते हैं, तो यह बहुत गर्म है। इस पर हीट सिंक की जरूरत होगी।
• मैंने पाया है कि एक 40-पिन डीआईपी में 2W से अधिक विघटित सतह को छूने के लिए बहुत गर्म बनाता है।
• यहां तक ​​कि सिर्फ 1W एक TO-220 w / oa हीट सिंक में बहुत कुछ है

आप शायद इन दिनों बहुत सारे 40 पिन डीआईपी पैकेजों का सामना नहीं करेंगे, और यदि आप करते हैं, तो ऐसा लगता है कि वे संदिग्ध हैं जो 2W के रूप में फैल रहे हैं। मैं इसका उल्लेख करता हूं, क्योंकि यह बड़े पैमाने पर एक आसान अर्थ प्रदान करता है।

TO-220 पैकेज अभी भी मजबूत हो रहा है, और मूल रूप से गर्मी सिंक के साथ उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह धातु टैब एक कारण के लिए है, इसलिए जब एल्यूमीनियम सिंक और संपर्क थर्मल ग्रीस की थपकी इतनी सस्ती और आसान होती है, तो इनमें से किसी एक को चलाने में बहुत कम बिंदु होता है।

Comments

.. और इससे पहले कि कोई मुझे किसी भी गणित को लागू न करने के लिए nuke का फैसला करता है, ओपी ने कहा "आपके कुछ दृष्टिकोणों का अनुमान लगाने के लिए कि आपकी परियोजना मॉडलिंग के बिना कितनी गर्म हो जाएगी या वास्तविक डिवाइस का निर्माण करेगी?" एर्गो, यहाँ कोई गणितीय मॉडल नहीं है।

— JustJeff

मैं आपको नंगा करने के बजाय 1-अप कर रहा हूं। गणित को जानना अच्छा है, लेकिन बहुत से इंजीनियरिंग अंगूठे और आंत (या उंगलियों) के कुछ नियमों के बिना अच्छी तरह से महसूस नहीं करेंगे।

— zebonaut

अगर हीट-सिंकिंग नहीं है तो TO-220 में 1W बहुत है। अगर वहाँ अच्छा गर्मी-डूब रहा है यह बहुत ज्यादा नहीं है।

— जेसन एस

@ जैसन एस - यह स्पष्ट रूप से पर्याप्त वाक्यांश नहीं था, मुझे लगता है। मैं इंगित करने की कोशिश कर रहा था कि मैं 1W TO-220 को 2W 40pin DIP के रूप में ज़्यादा गरम समझूंगा। (और अब मैं इसके बारे में अधिक सोचता हूं, यहां तक ​​कि TO-220 में 1 / 2W थोड़ा अधिक हो सकता है)

— JustJeff

@JustJeff: क्या हम एक ही पैकेज के बारे में बात कर रहे हैं? जैसा कि, एक TO-220 में IRF640N? ( Irf.com/product-info/datasheets/data/irf640npbf.pdf ) RJC + आरसीएस 10W के लिए यहां तक कि 1.5 सी / डब्ल्यू, हीट सिंक के ऊपर केवल एक 15 सेल्सियस की वृद्धि कर रही है। आप DIP से उस तरह की ऊष्मा प्राप्त नहीं कर सकते, लेकिन धातु टैब मिलने के बाद से आप TO-220 के साथ कर सकते हैं। मैं मानता हूं कि बिना हीट-टेंक के एक TO-220 ज्यादा हीट (IRF640N डेटाशीट का अनुमान 62 C / W) नहीं लगा सकता, लेकिन TO-220s का इस्तेमाल हर समय पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए होता है।

— जेसन एस