電力損失による加熱

今日まで、電力消費がどのようにして加熱に変わるのか、直感的に感じられないような気がします。つまり、1ワットの電力をコーヒーマグのサイズのデバイスに熱として浪費すると、どのくらい熱くなるのでしょうか。わかる？10ワット、100、1,000はどうでしょうか。

材料の選択、空気の流れ、表面積などが大きな違いを生むことはよくわかります。ただし、デバイスが冷たいか、暖かいか、途方もなく暑いか、または点火の危険があるかどうかを健全性チェックするための出発点として、いくつかの経験則があるとよいでしょう。

実際のデバイスをモデル化または構築せずにプロジェクトがどれだけ熱くなるかを推定するためのアプローチのいくつかは何ですか？

編集：

明確にするために、私は継続的な操作によるデバイス（または少なくとも「タッチ面」）の定常状態の温度に関心があります。デバイスの一時的な加熱効果ではありません。

$\theta_{JA}$

これは、消費されるワットごとの一般的な周囲環境では、デバイスが周囲温度よりもx °C高く加熱されることを示しています。計算には周囲温度を含める必要があります。オープンラボ環境では、25°Cになる可能性がありますが、実際には一部の電子機器のケーシング内では、さらに高温になる可能性があります。

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

暖房について考えるとき、いくつかの賢明な数値を得るために、いくつかの異なるユニットを通過する必要があります。

電気熱放散はワットで測定されます。エネルギーはジュールで測定され、熱自体はカロリーで測定されます。

典型的なマグカップの水を取りましょう。たとえば、300gの水（約300cc、典型的なコーヒーのマグカップ）について考えてみましょう。ここで、10Wの熱を放散するものがあるとします。10Wで十分ですが、10Wはどのくらいの期間カウントしますか？これが数式です。

• $W=\frac{J}{t}$

^{どこJはジュールで、tは秒単位の時間です}

重宝します。1ワットは1秒あたり1ジュールです。つまり、ジュール=ワット×秒、そうですか？したがって、10Wで10秒間加熱すると、100ジュールになります。

現在、カロリーは1gの水を1°C加熱するのに必要な熱量であり、4.184ジュールに相当します。

つまり、100ジュールは（編集：23.9カロリー[1カロリー= 4.184 J、つまり100 J * 1カロリー/4.184 J = 23.9カロリーで、418.4カロリーではない]）に等しいということです。300g以上の水は、次のようになります。

• $T=\frac{23.9}{300}$

これは（EDIT：0.08°C [not 1.395°C]）温度上昇と同じです。

したがって、10ワットの電力を10秒間使用すると、コーヒーマグの水の熱が少し下に上昇します（編集：1/10度[1.5度ではありません]）。

直感的で非常に大まかな（しかし役立つ）経験則として、私はさまざまなサイズの抵抗器を参照するのが好きです。ほとんどの人は、「標準」の1/4 W抵抗器（別名0207）を知っています。また、電子機器のディストリビューターのカタログ（または継続的なハッキングと修理の経験）を見ると、大小の抵抗器（1/4 W、1/8 WなどのSMDサイズ、およびより大きな電力抵抗器）を知ることができます。 2 W、4 W、5 W、11 Wなどの場合）。

ほとんどの抵抗器は、70°Cまたは75°Cの周囲温度で定格電力で実行できるように設計されており、そうすることで、125°Cまたは155の最大許容温度に到達します。 °C（標準値と一般値、詳細についてはデータシートを確認してください）。

したがって、消費電力と温度上昇の間の関係（125°C-70°C = 55°Cから155°C-70°C = 85°Cまで）と、質問の核心、部品の物理的なサイズ（体積、表面積）。

また、電球（旧式のフィラメントスタイル）など、サイズと電力（ワット数）がわかっているものを使用することもできます。40 Wの電球の例を考えてみます。室温（周囲）の温度では、表面が非常に熱くなり、ほとんど触れることができません（おそらく60°Cになります）。（ボイラー用の）水ボイラーは2 kWのオーダーで、1リットルの水で約1〜2分で20°Cから100°Cに上昇します（停止しないと自己破壊します）そのサーモスタット。この概念を、消費電力、サイズ、温度上昇など、ご存じの他の日常のデバイスに拡張します。

構築を検討しているものについての感覚を得る必要がある場合、多くの場合非常にうまく機能します。

おそらく、実際のデバイスが消費するもののリストは、良い参考になるでしょう。スマートフォン1〜2W、ラップトップ10〜30W、50インチLCD TV 100W、デスクトップコンピュータ200〜500W、スペースヒーター1500W。

表面積と空気の動き（ファン）により、同じ温度で数桁の熱放散が可能になるため、熱くなっているものは何でも機械設計が重要になります。ヘアードライヤーはコーヒーマグと同じくらいの大きさで、1000 Wを超え、送風機の前では暖かくなりますが、分解すると、加熱コイルが紙に点火する可能性があります。レーザーなどで十分に狭い領域に集中すれば、1Wでも十分に火災を起こすことができます。1cm ^ 2に100Wを入れるデスクトップCPUは、ヒートシンクなしで実行しているとマザーボードの穴をふさぐ可能性がありますが、適切に冷却すると、ヒートシンクが高温になり、ケースが暖かくなります。

プロジェクトが0.1W未満で実行されている場合は、熱について心配する必要はないでしょう。1Wでは、回路基板の金属が周囲の冷却を可能にするのに十分な熱を拡散する可能性があります。10Wでは、きちんとしたサイズのヒートシンク（場合によっては）またはファン、あるいはその両方が必要になる可能性があります。100Wでは、おそらくファンが必要になります。1000Wを超えると、スペースヒーターを効果的に構築できます。それが物を燃やすかどうかは、熱を周囲の空気に移動させる速度に依存します。5000Wを超えると、部屋が熱くなりすぎないように、屋外に熱を放出する必要がある場合があります。

ほとんどの人は家に数千ワット以上の電力を消費することはありません。単一の負荷が最も高いのはおそらく衣類乾燥機でしょう。1Wは常に稼働するのに約1ドル/年かかるため、数百ワットを超える電力は、断続的にしか使用しない場合を除いて、所有するのに費用がかかることに注意してください。

あなたは要素として素材を正しく述べています。すべての材料には比熱があります。これは、1gのサンプルで1Kの温度上昇を行うために追加する必要がある熱の形のエネルギー量を示します。たとえば、1gの水を14.5°Cから15.5°Cに温めるには4.186 Jが必要です（これは古いカロリー1単位の定義です）。
この熱の流れについて話すとき、あなたは熱抵抗に関心があります（電流を知るために電気抵抗を知りたいのと同じように）。熱抵抗はK / W（ケルビン/ワット）で表され、熱が特定の速度（単位時間あたりのエネルギー=電力）で流れるときの2点間の温度差を示します。パワーコンポーネントのデータシートを読むと、ダイとハウジングの間、およびハウジングから周囲までの熱抵抗がわかります。

編集（編集に関して）
平衡状態では、同じ要素が作用します。比熱は、ダイの温度と一連の熱抵抗を決定し、どれだけの熱が環境に排出されるかを示します。平衡とは、後者が放散するエネルギーに等しいことを意味します。

「経験則があればいいのではないでしょうか」に応えて..

• 親指を立てられない場合は、暑すぎます。ヒートシンクが必要です。
• 40ピンDIPで2Wを超える電力が消費されると、表面が熱くなりすぎて触れられないことがわかりました。
• TO-220のヒートシンクなしでは、1Wでも十分です

最近、40ピンDIPパッケージが多すぎるとは思わないでしょう。もしそうであれば、それらが2Wほど散逸するのではないかと思われます。スケール感があり便利です。

TO-220パッケージはまだ強力であり、基本的にはヒートシンクで使用するように設計されています。その金属タブは理由があるので、アルミニウムシンクと接触熱グリースの少量が非常に安くて簡単である場合、これらの1つを熱くしても意味がありません。