Widerstände werden häufig in elektronischen Schaltungen und Geräten zur Steuerung und Steuerung des elektrischen Stroms verwendet. Widerstände erzeugen einen Widerstand gegen den elektrischen Strom, der durch sie fließt, und eine Änderung des Widerstands führt zur Freisetzung von Wärme. In diesem Artikel betrachten wir das Funktionsprinzip des Widerstands und die Methoden zur Berechnung der freigesetzten Wärme.
Das Hauptprinzip des Widerstandes besteht darin, elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Widerstand fließt, stößt er auf den Widerstand des Widerstandsmaterials und durchläuft einen begrenzten Raum. Als Ergebnis tritt ein Spannungsabfall im Widerstand auf und Wärme wird freigesetzt.
Die freigesetzte Wärme am Widerstand kann unter Verwendung des Joule-Lenz-Gesetzes berechnet werden. Nach diesem Gesetz ist die Leistung, die ein Widerstand in Form von Wärme abgibt, proportional zum Quadrat des Stroms und dem Widerstand des Widerstands. Die Formel zur Berechnung der thermischen Leistung an einem Widerstand lautet wie folgt: P = I^2 * R, wobei P die Leistung ist, I der Strom durch den Widerstand ist, R der Widerstand des Widerstands ist.
Die Berücksichtigung der freigesetzten Wärme ist bei der Gestaltung elektronischer Systeme und Geräte von entscheidender Bedeutung. Die richtige Berechnung der Wärme vermeidet eine Überhitzung der Widerstände und reduziert das Risiko einer Beschädigung der Schaltung oder des Geräts.
Funktionsprinzip des thermischen Widerstands
Thermistoren, die in thermischen Widerständen verwendet werden, werden typischerweise aus Halbleitermaterialien wie Nickeloxid, Manganoxid oder Polymermaterialien hergestellt. Diese Materialien haben die Eigenschaft, ihren Widerstand abhängig von der Temperatur zu ändern.
Wenn ein thermischer Widerstand erhitzt wird, erhöht sich sein Widerstand. Dies liegt an einer Erhöhung der Menge an Wärmeenergie, die in den Widerstand übertragen wird. Eine Erhöhung des Widerstands führt zu einer Abnahme des Stroms, der durch den Widerstand fließt.
Thermische Widerstände werden häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, in denen die Temperatur kontrolliert werden muss. Sie können beispielsweise in automatischen Temperaturregelsystemen, Thermostaten, Thermometern und Thermocontrollern verwendet werden. Sie können auch verwendet werden, um elektronische Geräte vor Überhitzung zu schützen.
| Vorteile von thermischen Widerständen | Nachteile von thermischen Widerständen |
|---|---|
| - Einfache Konstruktion und Bedienung | - Relativ geringe Genauigkeit der Temperaturmessung |
| - Schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen | - Begrenzter Temperaturmessbereich |
| - Kleine Abmessungen und niedrige Produktionskosten | - Möglichkeit der Selbstheizung und parasitäre Effekte |
Im Allgemeinen bieten thermische Widerstände eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, die Temperatur in einer Vielzahl von Geräten und Systemen zu messen und zu überwachen.
Thermischer Widerstand: Allgemeine Informationen
Das Grundprinzip eines thermischen Widerstands besteht darin, seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu ändern. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist ihr Widerstand. Dieser Effekt basiert auf einer Änderung der Materialeigenschaften bei Temperaturänderungen.
Ein solcher Widerstand wird häufig in Automatisierungs- und Temperaturüberwachungssystemen verwendet. Es ermöglicht die Messung von thermischen Parametern und die Anwendung von Steuersignalen, um den erforderlichen Wärmepegel aufrechtzuerhalten oder einen Alarm auszulösen, wenn die Sollwerte überschritten werden.
Das Joule-Lenz-Gesetz wird verwendet, um die an einem thermischen Widerstand freigesetzte Wärme zu berechnen, die Leistung, Widerstand und Strom bindet. Die Grundformel für die Berechnung lautet wie folgt:
- Q ist die freigesetzte Wärme, ausgedrückt in Joule (J)
- I ist die Stromstärke, die durch den Widerstand fließt, ausgedrückt in Ampere (A)
- R ist der Widerstand des thermischen Widerstands, ausgedrückt in Ohm (Ω)
- t - die Zeit, in der der Strom fließt, ausgedrückt in Sekunden (s)
Die Berechnung der Wärme, die auf dem Widerstand freigesetzt wird, ermöglicht daher die Bewertung seiner Wirksamkeit sowie die Vorhersage der Möglichkeit von Überhitzungen und Problemen mit dem Kühlsystem.
Temperaturkoeffizienten des Widerstands
Es gibt zwei Haupttypen von Widerstandstemperaturkoeffizienten:
| Typ | Bezeichnung | Die Beschreibung |
|---|---|---|
| PTC | PTC | Der Widerstand des Widerstands nimmt mit zunehmender Temperatur zu. |
| Negativer Temperaturkoeffizient | NTC | Der Widerstand des Widerstands nimmt mit zunehmender Temperatur ab. |
Der Temperaturkoeffizientwert bestimmt, wie stark sich der Widerstand eines Widerstands ändert, wenn sich die Temperatur um 1 Grad Celsius ändert. Normalerweise wird der Temperaturkoeffizient in Prozent relativ zum Nennwert angegeben.
Wenn Sie den Temperaturkoeffizienten eines Widerstands und die Temperaturänderung kennen, können Sie die Änderung des Widerstands mit der folgenden Formel berechnen:
ΔR = R0 * α * ΔT, wobei ΔR die Änderung des Widerstands ist, R0 der Nennwiderstand ist, α der Temperaturkoeffizient ist, ΔT die Änderung der Temperatur.
Die Temperaturkoeffizienten eines Widerstands sind bei der Auswahl von Widerständen für bestimmte Zwecke von großer Bedeutung. Zum Beispiel können PTC-Widerstände verwendet werden, um elektronische Geräte vor Überspannungen zu schützen, da ihr Widerstand bei steigender Temperatur stark ansteigt, was eine Begrenzung des Stroms ermöglicht. NTC-Widerstände werden wiederum verwendet, um die Temperatur in verschiedenen Geräten zu überwachen und zu regulieren.
Wärmeerzeugung am Widerstand: Physikalische Grundlagen
Der Prozess der Freisetzung von Wärme an einem Widerstand basiert auf einem Phänomen, das als Joule-Heizung bezeichnet wird. Wenn elektrischer Strom durch den Widerstand fließt, kollidieren die Elektronen mit den Atomen des Widerstandsmaterials, was zu ihrer Bewegung und Vibration führt. Als Ergebnis dieser Bewegung wird die Energie in thermische Energie umgewandelt, was zu einer Erwärmung des Widerstands führt.
Die Freisetzung von Wärme am Widerstand kann mit dem Joule-Lenz-Gesetz berechnet werden. Nach diesem Gesetz entspricht die am Widerstand freigesetzte Leistung dem Produkt des Quadrats des durch den Widerstand strömenden Stroms an seinem Widerstand:
| Formel | Die Beschreibung |
|---|---|
| P = I^2 * R | Leistung (P), die am Widerstand erzeugt wird |
Mit dieser Formel können Sie einfach und genau berechnen, wie viel Wärme auf einem Widerstand freigesetzt wird, und diese Informationen verwenden, um einen geeigneten Widerstand auszuwählen oder eine elektrische Schaltung zu entwerfen.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Freisetzung von Wärme am Widerstand ein Problem darstellen kann, wenn Sie mit hohen Strömen und/oder unter unzureichenden Belüftungsbedingungen arbeiten. Wenn der Widerstand überhitzt wird, kann er beschädigt oder sogar entzündet werden. Daher ist es bei der Auswahl eines Widerstands und bei der Organisation der Belüftung notwendig, alle physikalischen Aspekte der Wärmeerzeugung am Widerstand zu berücksichtigen.
Berechnung des Wärmeflusses eines Widerstands
Q = I 2 * R
- Q - wärmefluss (in Watt);
- I - stromstärke, der durch den Widerstand fließt (in Ampere);
- R - widerstand des Widerstands (in Ohm).
Unter Berücksichtigung dieser Formel kann der Wärmefluss am Widerstand berechnet werden. Die Berechnungen ermöglichen es, die Leistung zu bestimmen, die mit einem Kühler oder Ventilator abgeführt werden muss, um einen zuverlässigen Betrieb des Widerstands zu gewährleisten. Dies ist wichtig, da das Überschreiten des Grenzwerts für die thermische Leistung zu einer Überhitzung und zum Ausfall des Widerstands sowie zur Beschädigung benachbarter Schaltungselemente führen kann.
Bei der Berechnung des Wärmeflusses eines Widerstands müssen auch die Umgebung und die Betriebsbedingungen des elektrischen Schaltkreises berücksichtigt werden. Wenn Sie beispielsweise in geschlossenen, belüfteten Gehäusen arbeiten, kann der Wärmefluss aufgrund der begrenzten Luftzirkulation reduziert werden, was bei der Auswahl des Kühlers und bei der Durchführung zusätzlicher Berechnungen berücksichtigt werden muss.
Daher ist die Berechnung des Wärmeflusses des Widerstands eine Voraussetzung, um einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Schaltung zu gewährleisten. Die resultierenden Ergebnisse können verwendet werden, um die Kühlerleistung zu bestimmen und den optimalen Lüfter zum Kühlen des Widerstands auszuwählen.
