No projeto anterior, mostrei como aproveitar a fonte de alimentação de um rádio para construir uma fonte estabilizada de 9 V. Depois de fazer o circuito funcionar, surge uma questão importante: o regulador de tensão pode aquecer durante o funcionamento.
Esse aquecimento não significa necessariamente que alguma coisa esteja errada. Em um regulador linear, parte da energia elétrica é dissipada na forma de calor quando reduzimos a tensão.
Dependendo da tensão de entrada, da corrente exigida pela carga e do regulador utilizado, pode ser necessário instalar um dissipador de calor — também chamado de radiador de calor — no circuito integrado.
Neste artigo, vamos entender por que o regulador aquece e como o dissipador ajuda a controlar sua temperatura.
Por que o regulador de tensão esquenta?
Em uma fonte linear, o regulador recebe uma tensão superior àquela que queremos obter na saída.
Imagine que nossa fonte forneça:
Entrada: 15 V
Saída: 9 V
O regulador precisa lidar com essa diferença de tensão enquanto fornece corrente à carga.
De maneira simplificada, a potência dissipada pelo regulador pode ser estimada por:
P ≈ (Vin − Vout) × I
Essa é a relação normalmente utilizada para estimar a dissipação em reguladores lineares.
Um exemplo de aquecimento do regulador
Imagine que tenhamos 15 V na entrada e 9 V na saída, alimentando uma carga de 500 mA.
A diferença é:
15 − 9 = 6 V
A corrente é:
500 mA = 0,5 A
Portanto:
P ≈ 6 × 0,5
P ≈ 3 W
Esses aproximadamente 3 W são dissipados principalmente na forma de calor.
Por isso, conforme aumentamos a corrente ou a diferença entre a tensão de entrada e de saída, o aquecimento pode se tornar significativo.
Para que serve o dissipador de calor?
O dissipador é uma peça, geralmente metálica e frequentemente feita de alumínio, que facilita a transferência do calor produzido pelo componente para o ambiente.
Em vez de o calor ficar concentrado no encapsulamento do regulador, aumentamos a superfície disponível para dissipá-lo.
De maneira simplificada:
regulador → dissipador → ar
O dissipador não faz o circuito deixar de produzir calor.
Ele simplesmente ajuda esse calor a sair do componente com maior eficiência. Tecnicamente, procuramos reduzir a resistência térmica entre a junção do semicondutor e o ambiente.
Por que o dissipador possui aletas?
Muitos dissipadores apresentam várias pequenas aletas.
Isso não é apenas uma questão estética.
As aletas aumentam significativamente a área de contato com o ar, favorecendo a transferência de calor.
É o mesmo princípio encontrado em inúmeros equipamentos eletrônicos.
Quanto maior a potência que precisamos dissipar, mais importante se torna o projeto térmico.
Como instalar o dissipador no regulador?
Isso depende do encapsulamento do componente.
Alguns reguladores utilizados em fontes possuem uma superfície metálica projetada para auxiliar na transferência de calor.
O dissipador precisa ficar corretamente acoplado a essa região.
Dependendo da montagem, podemos encontrar:
- parafuso;
- presilha;
- pasta térmica;
- isolador elétrico;
- arruela isolante.
E aqui existe um detalhe importante: não devemos simplesmente aparafusar qualquer dissipador em qualquer componente sem consultar seu datasheet.
A aba metálica de determinados encapsulamentos pode estar eletricamente conectada a um dos terminais do componente.
Por isso, dependendo da montagem, pode ser necessário utilizar isolamento elétrico entre o regulador e o dissipador.
Para que serve a pasta térmica?
Mesmo duas superfícies metálicas aparentemente lisas possuem pequenas irregularidades.
Quando colocamos o componente diretamente contra o dissipador, podem existir pequenas regiões preenchidas por ar, prejudicando a transferência de calor.
Um material de interface térmica apropriado ajuda a preencher essas imperfeições e reduzir a resistência térmica entre as superfícies. A própria literatura técnica considera a resistência da interface entre o encapsulamento e o dissipador no cálculo térmico.
Isso não significa colocar uma enorme quantidade de pasta.
A finalidade é melhorar o contato térmico entre as superfícies.
Todo regulador precisa de dissipador?
Não.
Essa é uma questão que deve ser analisada para cada circuito.
Se a diferença entre entrada e saída for pequena e a corrente consumida também for baixa, a potência dissipada pode ser suficientemente pequena para que o próprio encapsulamento e a placa consigam transferir o calor adequadamente.
Quando a dissipação aumenta, entretanto, o dissipador pode se tornar necessário.
A temperatura do componente depende da potência dissipada, temperatura ambiente e resistência térmica do conjunto.
Por isso, a pergunta correta não é:
“Regulador de tensão precisa de dissipador?”
Mas:
“Quanto este regulador está dissipando nesta aplicação e como essa potência será transferida para o ambiente?”
Um dissipador maior sempre resolve?
Não necessariamente.
Um dissipador adequado melhora a transferência térmica, mas existe um limite para aquilo que faz sentido resolver simplesmente acrescentando metal.
Imagine uma fonte em que a tensão de entrada seja muito superior à saída e a carga consuma bastante corrente.
Nesse caso, um regulador linear pode estar desperdiçando uma quantidade considerável de energia na forma de calor.
Talvez seja mais eficiente utilizar outra arquitetura, como um conversor chaveado DC-DC.
Reguladores chaveados podem apresentar eficiência muito superior em situações nas quais a diferença entre entrada e saída é grande.
Dissipador e fonte de 9 V
No nosso projeto, estamos utilizando o dissipador no circuito integrado regulador da fonte estabilizada de 9 V que construímos anteriormente.
Assim, a sequência completa começa a ficar bastante didática:
transformador → retificação → filtragem → regulador → dissipação térmica → saída de 9 V
Perceba como um projeto aparentemente simples permite estudar diversos conceitos de eletrônica.
Primeiro entendemos como obter corrente contínua.
Depois trabalhamos com o capacitor para reduzir o ripple.
Em seguida utilizamos o regulador para obter a tensão desejada.
Agora precisamos pensar no calor produzido pelo próprio processo de regulação.
Veja como coloquei o dissipador no regulador
No vídeo abaixo mostro na prática a instalação do dissipador de calor no circuito integrado regulador utilizado na fonte de 9 V.
Uma fonte também precisa de projeto térmico
Quando começamos na eletrônica, é muito comum pensar apenas em tensão, corrente e componentes.
Mas temperatura também faz parte do projeto eletrônico.
Um circuito pode estar eletricamente correto e ainda assim apresentar problemas porque determinado componente está trabalhando acima das condições térmicas adequadas.
Por isso, ao desenvolver uma fonte, devemos pensar em:
tensão → corrente → potência → calor → dissipação
Compreender essa relação ajuda não apenas na construção de fontes, mas também em amplificadores, drivers de motores e muitos outros circuitos.