Как рассчитать мощность тепловой пушки? Нет ничего проще!

Казалось бы, чего проще, если в рабочем помещении, загородном доме или квартире холодно, пойти и приобрести тепловую пушку. Но здесь сразу встает вопрос помимо внешнего вида, используемого топлива все тепловые пушки различаются между собой тепловой мощностью. В случае ошибки при выборе можно по-прежнему оставаться в холоде, а можно, напротив, изнывать от жары. При этом следует учесть, что от показателя тепловой мощности зависят расход топлива или количество потребляемой электроэнергии, габариты оборудования и, самое главное, его цена. Потому весьма важно заранее рассчитать необходимую тепловую мощность, чтобы не переплачивать сначала при покупке, а потом при эксплуатации тепловых пушек.

Это только на первый взгляд представляет сложной задачей. На самом деле, не нужно иметь ни каких выдающихся математических способностей, чтобы рассчитать необходимую мощность тепловой пушки.

Сама формула выглядит весьма примитивно:

Объем помещения умножить на разницу температур, умножить на коэффициент тепловых потерь. Полученное произведение и есть искомая тепловая мощность необходимого нам оборудования.

Из ассортимента ПРОФТЕПЛО, идеально подойдет дизельная модель прямого нагрева ДК-45П с мощностью 45 кВт.

Объем помещения умножить на разницу температур умножить на коэффициент тепловых потерь. Полученное произведение и есть искомая тепловая мощность необходимого нам оборудования.

Все очень даже просто. Объем помещения, которое нам необходимо обогреть, есть произведение его длины, ширины и высоты, измеряемых в метрах. В итоге мы получим величину, измеряемую в кубических метрах. Для примера: у нас есть склад, длина которого 10 метров, ширина – 15 метров, высота – 2 метра. Перемножив три указанных показателя, мы получим объем помещения, равный 300 кубическим метрам. Так мы получили первый показатель.

Что касается второго показателя – разницы температур, то он вычисляется следующим образом: допустим, в зимнее время года в нашем складе температура без обогрева в среднем держится на уровне минус 10 градусов Цельсия. Нам для нормальной работы нужно, чтобы температура держалась на уровне плюс 19 градусов Цельсия. Для расчета разницы температур нужно от желательного показателя отнять фактический: 18 – (-10) = 28.

И последний показатель, необходимый для расчета тепловой мощности – коэффициент тепловых потерь. Здесь возможны несколько вполне устойчивых вариантов:

1. Помещение без теплоизоляции (конструкция из досок или гофрированного металла) – от 3 до 4;
2. Помещение, имеющее малую теплоизоляцию (сооружение из кирпича в одну кладку с простой конструкцией окон) – от 2 до 2,9;
3. Помещение, имеющее среднюю теплоизоляцию (сооружение из кирпича двойной кладки с небольшим числом оконных проемов) – от 1 до 1,9;
4. Помещение с высокой степенью теплоизоляции (сооружение из кирпича двойной кладки, с небольшим числом оконных проемов, имеющих двойные рамы, полы и потолок с теплоизоляционным покрытием) – от 0,6 до 0,9.

Допустим, наш склад имеет коэффициент тепловых потерь – 1,5.

Теперь, зная все данные, произведем расчеты:

300 (объем помещения) умножим на 28 (разница температур) умножим на 1,5 (коэффициент тепловых потерь) и получим искомую тепловую мощность, которая составит 12600 кКалл/час. Для перевода в привычные килоВатты полученную цифру следует разделить на 860. В итоге мы получим 14,7 кВт. Наш расчет хорош при условии, что мы идеально точно учли все показатели. Но, как правило, довольно сложно подлежит учету такой показатель, как коэффициент тепловых потерь, особенно, если учесть наличие сквозняков и необходимость регулярного проветривания. Обычно прибавляют к полученной тепловой мощности процентов 30. Таким образом, необходимая мощность тепловой пушки для обогрева нашего склада должна оставлять примерно 20 килоВатт.

Зная этот показатель, нет ничего сложного в выборе модели на сайте интернет-магазина Город инструмента, которая будет подходить вам помимо тепловой мощности, еще и по цене, по габаритам и по используемому топливу.

Как рассчитать тепловую мощность системы отопления

В этой статье разберемся как подсчитать сколько тепла нужно подать в дом. На основании этих данных выбирается мощность котла и радиаторов отопления установленных в комнатах. Разберем как определить реальную тепловую мощность, которую потребляет система отопления. А также чем отличается фактическая тепловая мощность радиатора отопления и от паспортной. Также вкратце пройдемся по типам радиаторов.

Что влияет на тепловую мощность системы отопления

Отопление должно компенсировать тепловые потери здания. Расчет идет на максимальные потери и максимальную тепловую мощность, для самых сильных морозов. Часто чтобы сделать примерный расчет отопления по площади помещения, принимают 100 Вт – с 1 м2. Эта норма существует еще со времен СССР и рассчитывалась для кирпичных зданий без утепления с нормальными (деревянными) окнами и дверями по стандартам для жилых помещений того времени. Но теплопотери в современных домах могут быть заметно меньше.

Ведь на теплопотери влияет:

1. Толщина и материал стен — больше всего тепла теряют стены из бетона и кирпича. Дерево и газобетон гораздо меньше. Часто стена из газобетона вообще не нуждается в утеплении или достаточно минимального слоя в 50 мм.
2. Утепление стен. Есть ли вообще утепление, из чего, какая толщина. Например, для газобетона может хватить и 50 мм, пенопласта, а для бетонной стены толщиной 250 мм, нужно не меньше 150 мм утеплителя. Также важен и тип утеплителя, лучшие показатели у пенопласта и минеральной ваты. Теплоизоляционная штукатурка тоже снижает теплопотери, но ее эффективность в разы ниже по сравнению с минеральной ватой коэффициент теплопроводности которой
   0,037 Вт/м*К, а у теплой штукатурки 0,143 Вт/м*К. Этот показатель означает сколько тепла пройдет через слой материала толщиной один метр при разнице температур в один градус. И чем меньше цифра тем лучше, как видно теплоизоляционные свойства базальтовой ваты почти в четыре раза лучше.
3. Размеры остекления. Важна площадь и какие стеклопакеты. Нормой считается если площадь остекления не превышает 20-30% от площади комнаты. Например, если комната 16 м2, а общая площадь остекления 2,8 м2, то у нас получится (2,8/16)*100 = 18 %, что даже немного меньше нормы и хорошо с точки зрения энергосбережения, но не так хорошо с точки зрения освещения дневным светом. Современные пластиковые окна с энергосберегающими стеклопакетами, сохраняют тепло гораздо лучше деревянных окон старых стандартов. Но всему есть предел. Панорамные окна в пол — это всегда большие теплопотери, как бы ни был хорош стеклопакет даже заполненный аргоном, криптоном и т.д.
4. Высота потолка. С точки зрения сбережения тепла не нужно больше 260-280 см. Чем выше потолки тем больше объем воздуха нужно прогреть. А если еще учесть что теплый воздух поднимается наверх, где никого нет то потолки выше 3 метров — это не особо практично, и на каждые 50 см, к высоте потолка после 2,7 метра нужно добавлять + 5% к тепловой мощности радиаторов отопления.

Если принимались меры по энергосбережению, то теплопотери будут меньше 100 Вт, но насколько могут рассчитать только специалисты. Для предварительных расчетов лучше пользоваться усредненным значением в 100 Вт, но если частный дом хорошо утеплен и стоят новые окна, то можно считать около 70 Вт.

Как рассчитать и выбрать котел по тепловой мощности

По сути нам нужно определить суммарные теплопотери и выбрать котел который может дать то же количество тепла и еще чуть-чуть. Всегда нужен небольшой запас. Только небольшой это небольшой, потому что нередки случаи когда устанавливали котел мощностью 18 кВт, туда где по расчетам выходит 9 кВт, и достаточно котла на 12 Квт. Так не нужно делать, поскольку котел будет работать на 40-50% от номинальной мощности, а в этой зоне у него низкий КПД и топлива он сожжет больше чем правильно подобранный котел

Итак, что нам нужно для расчетов:

1. План дома. Если есть несколько этажей планы всех этажей с расположением дверных и оконных проемов. Важно также чтобы были четко определены отапливаемые и неотапливаемые зоны.
2. Будет ли котел иметь второй контур для горячего водоснабжения. Если да, то нужно брать запас по тепловой мощности 20%. 
3. Знать какой тип котла будет использоваться. Несмотря на то, что нам неважно из какого источника получать свои киловаты тепловой энергии имеет значение тип и место расположения котла. Ведь возможны потери при передаче. Например, твердотопливные котлы могут стоять как в отдельных помещениях или пристройках, так и внутри. Например, популярны котлы на дровах с варочной поверхностью, которые устанавливают в кухнях сельских домов. Корпус и варочная поверхность такого котла сама по себе отопительный прибор. И в комнате где он установлен нужны радиаторы на тепловую мощность вдвое меньше по сравнению с обычной комнатой где нет котла.

 

Возьмем пример, дом общей площадью 120 м2 из которых отапливаемые только 85 м2. Стены кирпичные окна современные двухкамерные стеклопакеты.

Крыша и чердачное перекрытие не утеплены. Поскольку мы не знаем точных данных, остановимся на норме теплопотерь без снижения.

Значит нам нужно выбрать котел, который сможет компенсировать:

85*100 = 8500 Вт – 8,5 кВт 

Планируется использовать твердотопливный котел на дровах, без подачи тепла на горячую воду. Котел будет установлен в нежилом помещении в пределах этого же дома. 

Это важно знать потому что трубы идущие от котельной под землей или по воздуху, даже в хорошей теплоизоляции это всегда потери.

 

Если прибавить минимальный запас мощности 8,5 + 15% = 9,775 кВт.

 

То есть достаточно котла 10 кВт. Если бы речь шла о газовом или электрическом котле, то это был бы верный выбор. Но у нас твердотопливный котел, а значит имеет увеличить мощность на одну ступеньку выше – 12 кВт.

Топка у него больше, а значит входит больше топлива за один раз. Это позволит увеличить время между загрузками дров, чтобы дом не успевал остыть за ночь 

 

Значит наш ответ для дома с отапливаемой площадью 85 м2 – тепловая мощность твердотопливного котла – 12 кВт.

А утепленный чердак и стены дали бы возможность обойтись котлом мощностью 10 кВт, и если посчитать в долгосрочной перспективе, то дополнительные затраты на утепление обязательно окупятся. Особенно если учесть постоянный рост цен на газ, уголь и дрова.

Расчет мощности радиаторов отопления

Есть две популярные методики упрощенного расчета. Первая основана на площади и уже знакомом показателе теплопотерь в – 100Вт/1 м2, а вторая расчет мощности радиаторов отопления по объему воздуха в помещении – 41 Вт/м3. 

Для помещений с высокими потолками (2,8 метра и выше) рациональней будет пользоваться расчетом по объему воздуха.

Но если свести к формулам то получим, что тепловая мощность равна:

 

Q = 41*V(m3) и Q= 100*S(m2), где V – объем, а S – площадь помещения. 

 

Но на теплопотери влияют множество факторов, некоторые мы уже упомянули, но для точного расчета мощности радиаторов отопления для частного дома, нужно учитывать для каждой комнаты:

1. Сколько стен выходят на улицу. Если комната угловая, то у нее две стены соприкасаются с холодным воздухом, а значит нужен запас по мощности в 20 % (умножить значение мощности на 1,2). Обозначим этот коэффициент – K.
2. Утепление стен. Если стены утеплены, то можно снизить расчетную мощность на 15% – коэффициент 0,85. И наоборот, если стены тонкие и сами по себе плохой теплоизолятор (например бетон), то нужно добавлять 20-30%. Обозначим этот коэффициент буквой U. 
3. Что сверху и снизу. Если сверху теплое помещение второго этажа это хорошо и можно снизить тепловую мощность на 20% (0,8), а если холодный чердак, то сэкономить не получится. Также важен пол, если это первый этаж и нет подвала, дом стоит на грунте и пол не утеплен, то наоборот нужно добавлять 20-30% (1,2-1,3). Обозначим этот коэффициент буквой W.
4. Окна – какие рамы и стеклопакеты, а также площадь остекления. За норму приняты однокамерные стеклопакеты и ПВХ рамы – это 1 если брать поправочный коэффициент. Если стеклопакет 2-3-х камерный, то это экономия как минимум в 15%, а значит вводим понижающий коэффициент 0,85. А если у нас старые деревянные рамы, то наоборот нужно добавлять 20% (1,2). Обозначим этот коэффициент G, о норме соотношении площади остекления к площади комнаты мы уже писали (норма 20-30%).

 

Учитывать климатическую зону, розу ветров и ориентацию по солнцу не будем. Это слишком индивидуально и в большинстве случаев все эти факторы в пределах средних значений.

Теперь запишем нашу формулу расчета тепловой мощности с учетом всех поправочных коэффициентов. Возьмем вариант расчета по объему:

 

Q= (41*V)*K*U*W*G

 

Разберем пример для комнаты:

• площадью 22 м2;
• высота потолка 2,75 м;
• угловая две стены выходят на улицу K =1.2;
• стены утеплены U = 0.85;
• сверху теплый второй этаж W =1 – теплый второй этаж “компенсирует” холодный пол;
• подвала нет пол не утеплен;
• три окна, энергосберегающие двухкамерные стеклопакеты, площадь остекления в пределах нормы G = 0. 85.

 

Вычисляем объем для чего площадь умножаем на высоту V = 22*2.75 = 60.5 м3. 

Теперь делаем расчет мощности радиаторов отопления по объему:

 

Q = (41*60.5)*1.2*0.85*1*0.85 = 2150 Вт, округляем до 2,2 кВт

 

У нас три окна под каждым нужно установить по радиатору. Значит общую мощность нужно разделить на три и подобрать по ней ближайший радиатор. Поскольку для частных домов чаще всего используются стальные панельные радиаторы, возьмем конкретные модели стальных радиаторов Пурмо (Финляндия). 

Но прежде чем перейти к выбору по паспортной мощности учтите что:

• паспортная теплоотдача рассчитывается при температуре теплоносителя не меньше 70 градусов, в реальности часто меньше особенно на дальних радиаторах, поэтому лучше брать запас 5-10%;
• место расположения радиатора в ветке – особенно если однотрубная система (чем дальше от источника тепла тем холоднее радиатор).

 

Переходим к выбору. Нам нужно 2,2 /3 = 730 Вт на радиатор. Пусть у нас будет один из них последний в ветке – это значит в него попадает теплоноситель со сниженной температурой. Смотрим в каталог радиаторов Пурмо, видим что ближайший по мощности стальной панельный радиатор PURMO Ventil Compact 22 400×600 – 733 Вт, но здесь совсем нет запаса. Смотрим следующую модель Стальной панельный радиатор PURMO Ventil Compact 22 400×700 – 855 Вт – этот подходит лучше, особенно для последнего в линии. Чтобы немного сэкономить можно взять один радиатор с тепловой мощностью – 733 Вт, и два по 855 Вт. Тот что меньше установить в начале, где теплоноситель самый горячий, а два других за ним.

Система отопления частного дома — какие радиаторы лучше

Чаще всего для автономных систем отопления в частных домах используются стальные панельные радиаторы, и для этого есть ряд причин:

1. Высокий КПД при умеренной цене. Тонкие стальные стенки хорошо отдают тепло, быстро прогреваются и хорошо работают с автоматическими регуляторами. А вот старые добрые чугунные радиаторы из-за низкого КПД и большой инерционности сдают позиции. Ведь подключать к ним автоматический регулятор практически бесполезно.
2. Цельносварные радиаторы не имеют множества резьбовых соединений в отличие от секционных. А значит могут работать с теплоносителем в который добавлен антифриз. Так часто делают владельцы загородных домов, для того чтобы можно было уехать зимой и выключить отопление. Если бы в трубах и радиаторах была просто вода, то она замерзла бы и при расширении разорвала бы трубы и батареи отопления. Антифриз убережет систему от замерзания. Но антифриз имеет свойство проходить через сантехнические уплотнения резьбовых соединений. И собранный из множества секций алюминиевый или биметаллический радиатор довольно скоро потечет.
3. Цена, часто это определяющий фактор. Ведь даже не самые дешевые финские радиаторы PURMO заметно дешевле биметаллических или алюминиевых.

 

Но есть у них и свои ограничения. Довольно низкое рабочее давление в 10 бар, подходит только для автономных систем отопления, где давление редко превышает 3-6 бар. В центральных системах отопления давление часто достигает 12-16 бар, а гидроудары доходят до 20-25 бар, и выдержать это без последствий могут только биметаллические или чугунные радиаторы.

Также не очень хорошо стальные панельные радиаторы работают в самотечных системах отопления (без циркуляционного насоса) из-за малого внутреннего объема и малых просветов для движения теплоносителей. 

Но самотечные (термосифонные) системы отопления большая редкость в современных домах.

Надеемся материал этой статьи был для вас полезен. Если появились вопросы по выбору радиаторов отопления или автоматики для регулирования звоните или задавайте вопросы в онлайн чат.

Тепловая эффективность – Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рисунок 1: Количество работы, произведенной для данного количества тепла, определяет тепловую эффективность системы. ^[1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая превращается в полезную работу. Тепловой КПД обозначается символом [math]\eta[/math] и может быть рассчитан по уравнению:

[математика]\eta=\frac{W}{Q_H}[/math]

Где:

[math]W[/math] — полезная работа и

[math]Q_H[/math] — общее количество подведенной тепловой энергии от горячего источника. ^[2]

Тепловые двигатели часто работают с эффективностью от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% термического КПД ([математика]\эта = 1[/математика]) в соответствии со Вторым законом термодинамики. Это невозможно, потому что некоторое количество отработанного тепла всегда производится в тепловом двигателе, что показано на рисунке 1 термином [math]Q_L[/math]. Хотя полная эффективность тепловой машины невозможна, существует много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 Дж тепловой энергии в виде тепла ([math]Q_H[/math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math]W[/math]), то КПД равен 80 Дж / 200 Дж, что составляет 40% КПД.

Тот же результат можно получить, измерив отработанное тепло двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж и наблюдается 120 Дж отходящего тепла, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основной артикул

Существует максимально достижимая эффективность тепловой машины, которая была выведена физиком Сади Карно. Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается таким

[математика]\eta_{max}=1 – \frac{T_L}{T_H}[/math]

Где

[math]T_L[/math] — температура холодной «раковины» и

[math]T_H[/math] — температура теплового резервуара.

Это описывает КПД идеализированного двигателя, которого в реальности достичь невозможно. ^[3] Из этого уравнения следует, что чем ниже температура стока [math]T_L[/math] или выше температура источника [math]T_H[/math], тем больше работы доступно для тепловой машины. Энергия для работы получается за счет уменьшения полной энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для совершения работы. ^[4]

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

• Тепловая машина
• Сгорание углеводородов часто является источником тепла для этих двигателей.
• Солнечная тепловая электростанция
• Атомная электростанция
• Чтобы узнать о тепловом КПД автомобильных двигателей, нажмите здесь
• Или исследуйте случайную страницу!

Ссылки

1. ↑ Эта фотография была сделана командой Energy Education.
2. ↑ ТПУБ Механика двигателя. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
3. ↑ Гиперфизика, Цикл Карно [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics. phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Клейнбах, «Тепло и работа», в Energy: its Use and the Environment , 4th ed. Торонто, Онтарио. Канада: Thomson Brooks/Cole, 2006, ch.4, sec.E, pp.115.

Понимание теплового сопротивления — SparkFun Learn

• Главная
• Учебники
• Понимание теплового сопротивления

≡ Страниц

Авторы: Алекс Великан

Избранное Любимый 4

Введение

При работе с маломощными устройствами управление температурным режимом не является большой проблемой. Как только вы начнете добавлять моторы, светодиодные ленты и потребление тока в проекте увеличится, детали могут начать нагреваться. Если вы не справитесь с нагревом, детали могут перегреться, что сократит срок службы компонента. В этом руководстве мы расскажем, что такое тепловое сопротивление, как оно используется для управления температурой и как максимально увеличить срок службы вашего проекта.

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы со следующими понятиями, мы рекомендуем ознакомиться с этими учебными пособиями, прежде чем продолжить.

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и силы тока.

Избранное Любимый 69

Тепловое сопротивление

Чтобы понять, как потери мощности влияют на вырабатываемое тепло, сначала необходимо понять тепловое сопротивление (R _θ ). Подобно тому, как электрическое сопротивление сопротивляется потоку тока в омах, тепловое сопротивление сопротивляется потоку тепла в кельвинах на ватт или в градусах Цельсия на ватт. Мы можем использовать тепловое сопротивление, чтобы оценить, насколько горячей может стать конкретная деталь при различных нагрузках, в зависимости от того, насколько легко тепло может передаваться из одного места в другое. В электронике тепло начинается в источнике, таком как полупроводниковый переход, и распространяется, чтобы в конечном итоге рассеяться в окружающем воздухе.

Если переход полупроводника превысит максимальную температуру, он сломается, и вся магия испарится. Чтобы убедиться, что мы этого не делаем, нам нужно посмотреть, насколько эффективно устройство может использовать мощность…..

Закон Ома и тепловое сопротивление

Мы можем использовать закон Ома для расчета температуры из радиатор к переходу, и везде между ними по закону Ома. Как упоминалось ранее, электрическое сопротивление очень похоже на тепловое сопротивление. Мы можем использовать закон Ома, который гласит, что V = I*R, и заменить напряжение на температуру (T) и ток на мощность (P), что дает нам:

Эквивалентная тепловая схема показана ниже, где:

• T_Junction (T _J ): температура перехода
• R _θJC : тепловое сопротивление соединения с корпусом
• T_Case (T _C ): температура перехода
• R _θCH : термостойкость корпуса к радиатору
• T_Heatsink (T _H ): температура радиатора
• R _θHA : термостойкость радиатора к окружающему воздуху
• T_Ambient (T _A ): температура окружающего воздуха

Чтобы лучше понять, как используется тепловое сопротивление, давайте рассмотрим следующий пример:

• Рассеиваемая мощность: 2 Вт
• R _θJC = 4°C/Вт
• R _θCH = 0,25°C/Вт
• R _θHA = 6°C/Вт
• T _A = 25°C

Начнем с теплового эквивалента закона Ома:

Мы хотим решить для повышения температуры перехода , поэтому T становится T _J . Наша рассеиваемая мощность, P, составляет 2 Вт. И наши тепловые сопротивления соединены последовательно, поэтому, как и резисторы, соединенные последовательно в цепи, мы можем сложить значения вместе:

Температура перехода на 20,5°C выше температуры окружающей среды (в данном случае на 25°C), что означает абсолютную температуру. 20,5°C + 25°C, что будет 45,5°C.

Где найти значения теплового сопротивления? Для таких деталей, как стабилизаторы напряжения, диоды, транзисторы и другие полупроводники, в техническом описании будет раздел для информации о температуре, в основном переход к воздуху (R _θJA ), если какой-либо тип радиатора не использовался, или переход к корпусу. (R _θJC ), если будет использоваться радиатор, который будет иметь собственное тепловое сопротивление и рассматривается в следующем разделе. Типичные данные теплового сопротивления будут выглядеть примерно так, как показано на изображении ниже.

Как передавать тепло

Металлические ребристые радиаторы

Радиаторы всех форм и размеров с единственной целью: передавать тепло воздуху. Назначение каждого ребра на радиаторе — создать как можно большую площадь поверхности для взаимодействия воздуха и отвода тепла от радиатора, что помогает отводить тепло от перехода полупроводника. Тем не менее, тепловое сопротивление радиатора может быть немного сложным, потому что радиатор с металлическими ребрами работает с разной скоростью в зависимости от количества воздуха, проходящего через ребра. В типовом паспорте радиатора указаны не только размеры детали, но и тепловые характеристики, которые выглядят так:

Стрелки на каждой линии графика соответствуют оси, которую они представляют. Например, красная подсветка показывает, что на открытом воздухе (то есть без вентилятора) рассеивание 10 Вт мощности приведет к повышению температуры радиатора примерно на 78°C по сравнению с температурой окружающей среды. Если бы вместо этого у вас было около 400 футов / мин воздуха, протекающего вдоль ребер радиатора, зеленая линия показывает, что радиатор имел бы тепловое сопротивление около 1,8 ° C / Вт, или на 18 ° C выше температуры окружающей среды, рассеивая те же 10 Вт мощности. .

Переходные отверстия

Если вам необходимо добавить радиатор в конструкцию, такую ​​как импульсные источники питания, где важно располагать компоненты как можно ближе к ИС, переходные отверстия могут не только передавать сигналы с одной стороны печатной платы на другую , но они тоже могут передавать тепло!

Если вам не хочется заниматься математикой, набор инструментов для печатных плат от Saturn PCB Design Inc содержит множество отличных инструментов для решения множества уравнений, которые может использовать инженер-электрик. В частности, одна из вкладок предназначена для свойств перехода:

Изображение предоставлено SaturnPCB

Чтобы получить тепловое сопротивление переходных отверстий, я ввел в поля, выделенные красным, свойства имеющейся у меня печатной платы. Установка слоя на 2 слоя, и диаметр сквозного отверстия должен быть единственной настройкой, которую вам, возможно, потребуется изменить. Толщина покрытия и высота переходных отверстий стандартны для большинства печатных плат. После нажатия кнопки «Решить» в синем поле в правом нижнем углу я получил тепловое сопротивление, которое составило 179,3 ° C / Вт на переходное отверстие. При 10 переходных отверстиях тепловое сопротивление падает до 17,9°С/Вт. Если бы вы собирались рассчитать температуру перехода сейчас, вы бы добавили еще одно тепловое сопротивление последовательно для переходных отверстий, которое будет добавлено к другим тепловым сопротивлениям при выполнении расчета.

Радиатор печатной платы

Когда дело доходит до передачи тепла в печатной плате, математика может довольно быстро усложниться, что является одной из причин, по которой для сквозного теплового сопротивления проще использовать инструмент от Saturn PCB. Еще сложнее использовать печатную плату в качестве радиатора. Существует тепловое сопротивление не только меди, которое зависит от площади поверхности, но и паяльной маски, материала подложки, который также передает тепло окружающим изолированным медным плоскостям. Для подробного объяснения вы можете прочитать этот отчет о применении от Texas Instruments. Для облегчения усвоения информации у Пола Брайсона есть отличная запись в блоге на эту тему, в которой он дает несколько отличных советов и выводов, которые можно найти здесь.

В качестве ориентира для шероховатых вы можете использовать график из поста Пола Брайсона ниже:

Изображение предоставлено Полом Брайсоном с brysonics.com реальный мир. В этих примерах я буду использовать два разных типа стабилизаторов напряжения: линейный стабилизатор, в частности LM7805, а также преобразователь постоянного тока. Посмотрим, насколько хорошо они соответствуют цифрам, которые мы получаем из спецификаций.

Линейный регулятор

Имея недорогой и малошумный регулятор напряжения, как вы можете ошибиться? Линейные регуляторы — отличный выбор для многих применений, но им не хватает эффективности. Мы можем увидеть базовую конструкцию линейного регулятора ниже:

Изображение предоставлено EE Times

Чтобы определить, насколько сильно нагревается линейный регулятор, давайте начнем с понимания того, что входная мощность должна равняться выходной мощности. В идеале система должна быть эффективна на 100%, но в реальном мире будут некоторые потери, и эта потеря мощности рассеивается в виде тепла (стр. 9).0133 Д ). Это можно выразить следующей формулой:

Это означает, что рассеиваемая мощность может быть выражена как:

В электронике мощность может быть выражена как произведение напряжения и тока. Это означает, что мы можем переписать первое уравнение как:

У линейных стабилизаторов входной и выходной ток одинаковы, поэтому мы можем упростить уравнение до следующего:

Теперь нужно посмотреть на тепловые характеристики линейного регулятора. LM7805 имеет следующие тепловые сопротивления для используемого корпуса TO-220:

Без радиатора (R

_θJA )

В этом первом примере мы увидим, насколько сильно нагревается линейный регулятор при нагрузке всего 200 мА. LM7805 имеет выходное напряжение 5 В, а входное напряжение будет около 12 В. Подставив эти числа в наше уравнение потерь мощности сверху, мы получим:

Чтобы выяснить, насколько горячим будет нагреваться без радиатора, нам нужно использовать тепловое сопротивление перехода к воздуху, которое составляет 50°C/Вт. Используя формулу из раздела теплового сопротивления и предполагая, что температура окружающего воздуха равна 23°C, мы можем рассчитать температуру перехода:

Чтобы сравнить это с реальным миром, я измерил входное напряжение 12,1 В и выходное напряжение под нагрузкой 4,90 В. Я использовал фиктивную нагрузку постоянного тока, установленную на 200 мА, подключенную к выходу. Используя измеренные значения, рассеиваемая мощность составляет:

Ожидаемая температура перехода должна быть тогда:

Как показано на тепловом изображении выше, после включения нагрузки и нагревания регулятора температура установилась на уровне около 98°. С. Довольно близко, но это хороший пример того, почему важно добавлять поля к числам. Из-за отсутствия точности источник питания был немного выше, чем мы рассчитали, а под нагрузкой регулятор имеет допуск выходного напряжения 4%, что может позволить выходному напряжению упасть до 4,8 В и оставаться в пределах спец.

С радиатором (с использованием R

_θJC )

Теперь, с добавлением радиатора, вместо использования теплового сопротивления перехода к воздуху нам нужно использовать значение для перехода к корпусу, которое составляет около 5°. С/В. Изучив техническое описание радиатора, который я использую, мощность ~1,4 Вт на открытом воздухе приведет к повышению температуры на 25°C:

Поскольку радиатор обеспечивает повышение температуры вместо теплового сопротивления, нам потребуется сначала рассчитайте повышение температуры перехода, используя тепловое сопротивление от перехода к радиатору, а затем добавьте повышение температуры от радиатора и температуру окружающего воздуха, чтобы получить температуру перехода. Использование термопасты снижает тепловое сопротивление от корпуса до радиатора (~0,25°C/Вт), без него мы будем считать тепловое сопротивление около 1°C/Вт. Таким образом, уравнение температуры перехода принимает следующий вид:

Фактические напряжения были такими же, как и без радиатора: Vin = 12,10 В, Vвых = 4,90 В, Iвых = 200 мА. Это привело к тем же 1,44 Вт мощности, которые фактически необходимо было рассеивать, что только увеличило расчетную температуру перехода до 56,64 ° C. После включения питания и включения нагрузки я подождал, пока температура достигнет установившегося уровня, и измерил температуру регулятора, которая составила около 54°C.

На этот раз температура оказалась ниже, чем мы рассчитывали. Скорее всего, ошибка возникла из-за того, что для радиатора было считано повышение температуры в неподвижном воздухе, вместо 25°C она могла быть ближе к 23°C. В последнем примере мы будем использовать стабилизатор для поверхностного монтажа и попытаемся оценить, насколько сильно нагревается регулятор, используя печатную плату в качестве радиатора.

Пример: преобразователь постоянного тока в постоянный для поверхностного монтажа

Мы используем плату Buck-Boost, в которой используется преобразователь постоянного тока TPS63070. Плата размером 1,25×1,25 дюйма с использованием 1 унции меди. Следует также отметить, что регулятор находится в центре платы и состоит более чем из 95% меди. Из-за размера я собираюсь сделать некоторые предположения, используя общую площадь платы для теплового сопротивления и все 41 переходное отверстие для теплового сопротивления переходного отверстия.

Для начала нам нужно выяснить, сколько энергии нам нужно рассеять. В преобразователе постоянного тока входной ток не равен выходному току, поэтому мы не можем использовать ту же формулу, что и для линейного регулятора. Вместо этого мы можем оценить, используя график эффективности из таблицы данных:

На графике КПД показана зависимость КПД от выходного тока, который отличается в зависимости от входного и выходного напряжения. Для этого теста мы будем использовать те же значения, что и раньше, имея входное напряжение 12 В и выходное напряжение 5 В. На этот раз мы увеличим ток нагрузки до 1,0 А. Используя приведенный выше график эффективности 5 В, эффективность должна составлять около 93%, что делает наши потери мощности 7% от выходной мощности.

Для тепловых сопротивлений я использовал калькулятор теплового сопротивления переходных отверстий и приблизительно оценил тепловое сопротивление с переходными отверстиями примерно в 4,4°C/Вт, используя значения из инструмента расчета переходных отверстий. Для оценки теплового сопротивления печатной платы плата будет поднята над столом, чтобы предотвратить использование стола в качестве радиатора. 2. Основываясь на площади поверхности повышающе-понижающей платы, я могу оценить тепловое сопротивление печатной платы примерно в 65°C/Вт.

В техническом описании TPS63070 указаны следующие тепловые характеристики:

Нажмите на изображение, чтобы рассмотреть его поближе.

Тепловое сопротивление перехода к корпусу неприменимо, однако тепловое сопротивление перехода к плате составляет около 13°C/Вт. Используя значения теплового сопротивления, мы можем подставить это в уравнение температуры перехода:

Как и раньше, я включил фиктивную нагрузку и позволил плате нагреваться до тех пор, пока температура не перестанет расти. Как показано ниже, я зафиксировал температуру около 54°C.

Ресурсы и дальнейшие действия

Вы можете выполнить те же расчеты для различных силовых частей. Например, вы можете посмотреть сопротивление между стоком и истоком MOSFET, чтобы увидеть, насколько сильно он может нагреваться при различных токах. Или, если у вас есть диод для защиты от обратного тока, вы можете использовать прямое падение напряжения и ток. Все эти компоненты будут генерировать некоторое количество тепла, но теперь вы можете сделать обоснованное предположение о том, сколько.

Хотите использовать свой новый набор навыков? Попробуйте эти замечательные уроки!

Руководство по подключению одновременного считывателя RFID-меток

Базовое руководство по началу работы со считывателем RFID-меток, а также по чтению и записи нескольких RFID-меток на нескольких футах!

Избранное Любимый 8

Руководство по подключению переменной нагрузки – пересмотренное

В этом руководстве показано, как собрать и использовать плату переменной нагрузки SparkFun. Его можно использовать для проверки стабильности блока питания при различных нагрузках, срока службы батареи, предохранительных отключений и других конструктивных элементов тестируемых блоков питания.

Избранное Любимый 3

Руководство по подключению Buck-Boost

В этом руководстве показано, как подключить и использовать плату SparkFun Buck-Boost.