A medida que un proyecto de electrónica crece, el consumo de energía se vuelve cada vez algo más relevante. Mientras mas potencia usemos, componentes como los reguladores lineales de voltaje (como el regulador de 5V LM7805 o alguno de su familia), algo de calor no hace daño, pero si se incrementa mucho puede transformarse en un problema que afecte el desempeño del regulador, que puede entregar un voltaje distinto al normal o incluso dañarse.
Pero, ¿cuánto calor es tolerable? Una buena regla es “si al tocar durante un tiempo el componente, el calor se vuelve incómodo; se necesita más disipación”
. La disipación térmica puede ser algo tan simple como un pedazo de metal que tenga una forma tal que ayude a que exista mayor área de contacto con el aire, para favorecer el intercambio de calor. Por esta razón los disipadores tienen su forma particular como puede verse en la imagen siguiente. Para favorecer aún más el intercambio de calor algunos disipadores tienen “patas”, que aumentan el área del metal en contacto con el aire.
Debido a que las superficies de los metales no son perfectamente lisas, al atornillar un componente a su disipador, puede que no fluya bien el calor por la juntura entre ambos, para mejorar ésto puede rellenarse con pasta térmica la juntura, como su nombre dice esta pasta es una buena conductora del calor. Si la utilizas debes tener presente que solo se necesita una pequeña cantidad para llenar las imperfecciones de la juntura, si usas mucha se saldrá por los costados, lo que puede acarrear riesgos ya que muchas veces esta pasta es también buena conductora de la electricidad.
Si se mira con detención la imagen arriba de este texto puede verse que hay algunas zonas donde se ha dejado el cobre de la placa y se han hecho agujeros en el mismo que posteriormente se han bañado en estaño, de esta manera se puede usar el mismo cobre de la placa como disipador. Esta técnica es útil para componentes que no disipen demasiado calor.
Calor en reguladores de voltaje
Los reguladores lineales de voltaje, como el ya nombrado LM7805, son un buen punto de partida para comprender el fenómeno de disipación de calor en los componentes electrónicos. Es sabido que la potencia disipada por un dispositivo eléctrico está dada por:
Entonces, como entre el terminal de entrada y el de salida del regulador existe una diferencia de voltaje y además está suministrando una cierta cantidad de corriente a nuestro circuito, tendremos que habrá una cantidad de potencia disipada en el regulador, que se traduce en que éste se calentará. Además notemos que mientras mayor sea la diferencia de voltajes entre la entrada y la salida, mas se calentará. Por ésta razón los reguladores lineales no son un mecanismo demasiado eficiente de regular voltaje, porque mucha energía se pierde como calor. Las fuentes de poder llamadas fuentes switching son una forma mucho mas eficiente de realizar esta función, pero son más complicadas y pueden ser ruidosas eléctricamente si no se tiene el debido cuidado.
Podemos calcular la cantidad promedio de potencia que disipará un regulador si sabemos el voltaje de alimentación del mismo y el que está suministrando. Además debemos hacer una estimación de la corriente que suministrará el disipador al circuito, para ésto lo mejor es ponerse en el peor de los casos, por lo que tomaremos las máximas corrientes que se suministrarán a las distintas etapas que componen nuestro circuito. De esta manera si por ejemplo se tiene un regulador LM8705 (que suministra 5V) alimentado a 12V y se estima que la máxima potencia que consumirá el circuito es de 1.2 A, podemos calcular la potencia perdida en forma de calor en el disipador:
Como puede verse, se está perdiendo una gran cantidad de potencia en forma de calor, 8.4 Watts es bastante potencia, como referencia una luminaria fluorescente pequeña consume alrededor de 18 Watts y nosotros estamos disipando alrededor de la mitad de esa cantidad en un pequeño componente electrónico. No obstante, debemos tener en cuenta que consideramos la corriente máxima que consume cada dispositivo, lo cual es algo alejado de la realidad, ya que en general los microcontroladores y otros dispositivos consumen pulsos de corriente, por lo que la corriente promedio que suministrará el regulador puede ser bastante menor y por tanto no se perdería tanta potencia en el mismo, aunque nunca está de más ponerse en el peor de los casos.