¿Por qué los dispositivos electrónicos se calientan cuando está funcionando?

Es una pregunta interesante, en realidad.
Hablemos primero sobre la fuente del calor. Tres lugares más calientes:

1. Salida de transistores bipolares en amplificadores lineales y similares. Estos chicos amplifican la corriente en algún número y este número para dispositivos grandes es menor o igual a 100 . Entonces, 100A en la salida requiere 1A en la entrada. 1A * 0.6V (caída de pn) = 0.6W al universo. ¡Y esto sucede incluso sin señal! ..
2. Regulador lineal (como 7805). Pedimos al transistor bipolar que se ponga en un modo tal que el voltaje de salida en su emisor sea el mismo que en alguna entrada al poner algo de corriente a través de su base. Pero si coloca 12 V en el colector y pide 5 V en el emisor, se configura como un elemento resistivo que deja caer exactamente la diferencia de voltaje para la corriente exacta consumida en el emisor. ¡7V multiplicado por corriente al universo!

   Es por eso que es bastante incorrecto poner 12V DC en Arduino, si tiene un protector que consume ~ 500 mA (por ejemplo, para el indicador LED). 7V * 500 mA = 3.5W se disiparán desde un pequeño regulador lineal cerca del lado izquierdo, si sostiene Arduino con el enchufe apuntando hacia usted.

3. Transistores MOS en la lógica de SoC / CPU que alimenta su teléfono / computadora de escritorio. Aquí hay una situación diferente. La corriente no fluye a través de la puerta; no estoy hablando de fugas aquí, por lo que la lógica del transistor MOS debería funcionar sin consumir energía. Sin tener en cuenta la fuga, no lo hace, ¡en condiciones estáticas!

   Sin embargo, el software funciona, por lo que las compuertas cambian su voltaje de 0 a V. Y cada puerta tiene una capacitancia, por lo que para cambiar el estado necesita recargar este pequeño capacitor. Pero se sabe que el condensador mantiene el voltaje, por lo que la corriente de cambio de voltaje tiene esta dependencia:

   [matemáticas] C \ frac {dU} {dt} = I [/ matemáticas]

   No mire dU / dt con complejidad: es básicamente la velocidad de recarga del capacitor dado por la cantidad de corriente I.

   Ahora mira esta ecuación. Básicamente, para funcionar en la frecuencia F , esa frecuencia de la CPU, la CPU necesita que sus transistores se recarguen en la frecuencia F al menos de 0 a algunos V y viceversa. Entonces dU / dt = FV . Y nuestra ecuación se convierte

   [matemáticas] CFV = I [/ matemáticas]

   Si multiplicamos ambos lados con V , encontraremos la ecuación interesante:

   [matemática] CFV ^ 2 = IV = W [/ matemática]

   Físicamente funciona como los dispositivos MOS más pequeños se recargan con corriente que pasa una resistencia pequeña pero finita de la ruta de drenaje de la fuente. Esto significa que los dispositivos basados ​​en MOS disipan la energía eléctrica en forma de calor. Y su disipación es el voltaje al cuadrado multiplicado por la frecuencia.

   Solo un ejemplo numérico:

   El dispositivo tiene C = 1 nF , frecuencia de trabajo F = 1 GHz, V = 1V -> 1W disipando. Es por eso que tenemos todos estos cientos de amplificadores en las CPU modernas. De tal manera, en realidad, uno puede medir la llamada capacitancia dinámica de la CPU, fijando una frecuencia y modificando V en la placa base. Como muestra este ejemplo, se trata de nanofaradios.

   Ahora, ¿por qué hace calor?

   Considere la ecuación de calor. El dispositivo con temperatura actual x con capacidad calorífica c se coloca en el baño con temperatura T. El dispositivo es una fuente de calor de potencia W. Podemos escribir lo siguiente:

   [matemáticas] C \ frac {dx} {dt} = W – a (x – T) [/ matemáticas]

   a (x – T) se presenta como una ley de Newton para la transferencia de calor. El calor va al objeto más frío y la pérdida de calor es proporcional a la diferencia de temperaturas. Un sentido común es la efectividad del enfriador.

   La solución de esta ecuación es la caída del exponente, estableciendo en el futuro la temperatura estable de

   Ts = (W / a) + T ,

   Entonces W / a es la diferencia entre, es decir, la temperatura ambiente y la temperatura del dispositivo, que emite energía W a través de algún límite, como el teléfono SoC disipa su energía a través de la carcasa del teléfono.

   Los mejores enfriadores de CPU de aire tenían unos ~ 0,20 grados C por vatio , por lo que nuestro dispositivo hipotético con dicho enfriador se calentará solo + 0,20 C desde la temperatura ambiente. Sin embargo, el pequeño regulador lineal de p.2, que emite 3.5W a través de su pequeño estuche con resistencia térmica de 20 grados por vatio obtendrá + 70C de la habitación (es decir, + 95C ) y se quema 🙂

   PD
   La parte interesante es arreglar los RPM en el enfriador para mantener un funcionamiento constante y jugar con Vcore , arreglando la F en el BIOS. Teniendo en cuenta que el tiempo para alcanzar el estado estable es a / W , es seguro asumir que 1 hora es suficiente. Tan solo tome la temperatura constante, reste la temperatura ambiente. Y .. W / a , o CFV ^ 2 está ahí! Construir algunos gráficos le dará algunas respuestas sobre la dependencia de (W / a) a F y V.

   Estas curvas no llegan a 0 cuando F o V disminuyen, sino que se acercan a un valor constante, lo cual es bastante interesante para caracterizar la tecnología de fabricación de la CPU utilizada. Las cosas se complican por la administración avanzada de energía en el sistema operativo y la CPU, pero vale la pena intentarlo.

Todos los dispositivos tienen una impedancia o resistencia, cuando una corriente fluye, la resistencia de un dispositivo convertirá parte de la energía eléctrica en energía térmica, esto se considera una pérdida de energía ya que realmente no está haciendo nada útil.