Potencia disipada:
Un desafío siempre presente en el diseño de circuitos electrónicos es seleccionar componentes adecuados que no solo realicen su tarea prevista sino que también sobrevivan en condiciones de funcionamiento previsibles. Una gran parte de ese proceso es asegurarse de que sus componentes se mantengan dentro de sus límites seguros de operación en términos de corriente, voltaje y potencia. De esos tres, la parte de “poder” es a menudo la más difícil (tanto para recién llegados como para expertos) porque el área de operación segura puede depender tan fuertemente de los detalles de la situación.
En lo que sigue, presentaremos algunos de los conceptos básicos de la disipación de potencia en componentes electrónicos, con miras a comprender cómo seleccionar componentes para circuitos simples con limitaciones de potencia en mente.
Comencemos con uno de los circuitos más simples imaginables: una batería conectada a una sola resistencia:
Aquí, tenemos una sola batería de 9 V y una única resistencia de 100 Ω (100 Ohm), conectadas con cables para formar un circuito completo.
Lo suficientemente fácil, ¿verdad? Pero ahora una pregunta: si realmente quiere construir este circuito, ¿qué tan “grande” de una resistencia de 100 Ω necesita usar para asegurarse de que no se sobrecaliente? Es decir, ¿podemos usar una resistencia “regular” de ¼ W, como la que se muestra a continuación, o necesitamos hacerlo más grande?
Para averiguarlo, necesitamos poder calcular la cantidad de energía que la resistencia disipará.
Aquí está la regla general para calcular la disipación de potencia:
Regla de poder: P = I × V
Si una corriente I fluye a través de un elemento dado en su circuito, perdiendo voltaje V en el proceso, entonces la potencia disipada por ese elemento del circuito es el producto de esa corriente y voltaje: P = I × V.
Aparte:
¿Cómo puede el voltaje actual de la hora terminar dándonos una medida de “potencia”?
Para entender esto, necesitamos recordar qué corriente y voltaje representan físicamente.
La corriente eléctrica es la tasa de flujo de carga eléctrica a través del circuito, normalmente expresada en amperios, donde 1 amperio = 1 culombio por segundo. (El culombio es la unidad SI de carga eléctrica).
El voltaje, o más formalmente, el potencial eléctrico, es la energía potencial por unidad de carga eléctrica a través del elemento del circuito en cuestión. En la mayoría de los casos, puedes pensar en esto como la cantidad de energía que se “consume” en el elemento, por unidad de carga que pasa. El potencial eléctrico se mide normalmente en voltios, donde 1 voltio = 1 julio por culombio. (El joule es la unidad de energía SI).
Entonces, si tomamos una corriente de voltaje, eso nos da la cantidad de energía que se “consume” en el elemento, por unidad de carga, multiplicado por el número de unidades de carga que pasan a través del elemento por segundo:
1 amperio × 1 voltio =
1 (culombio / segundo) × 1 (julio / culombio) =
1 joule / segundo
La cantidad resultante está en unidades de un joule por segundo: una tasa de flujo de energía, mejor conocida como potencia. La unidad de potencia SI es el vatio, donde 1 vatio = 1 julio por segundo.
Finalmente, entonces, tenemos
1 amperio × 1 voltio = 1 vatio
De vuelta a nuestro circuito! Para usar la regla de potencia (P = I × V), necesitamos conocer tanto la corriente a través de la resistencia como la tensión a través de la resistencia.
Primero, usamos la ley de Ohm (V = I × R) para encontrar la corriente a través de la resistencia.
• El voltaje a través de la resistencia es V = 9 V.
• La resistencia de la resistencia es R = 100 Ω.
Por lo tanto, la corriente a través de la resistencia es:
I = V / R = 9 V / 100 Ω = 90 mA
Entonces, podemos usar la regla de potencia (P = I × V) para encontrar la potencia disipada por la resistencia.
• La corriente a través de la resistencia es I = 90 mA.
• El voltaje a través de la resistencia es V = 9 V.
Por lo tanto, la potencia disipada en la resistencia es:
P = I × V = 90 mA × 9 V = 0.81 W
Entonces, ¿puedes seguir usando esa resistencia de 1/4 W?
No, porque probablemente no se sobrecalentará.
La resistencia de 100 Ω en este circuito debe tener una clasificación de al menos 0,81 W. Por lo general, uno elige el siguiente tamaño más grande disponible, 1 W en este caso.
Debido a que una resistencia de 1 W es mucho más grande físicamente, debería ser capaz de manejar la disipación de una mayor cantidad de potencia, con su área de superficie más alta y cables más anchos. (Todavía puede ponerse muy caliente al tacto, pero no debe calentarse lo suficiente como para que falle).
Aquí hay una disposición alternativa que funciona con cuatro resistencias de 25 Ω en serie (que aún suma hasta 100 Ω). En este caso, la corriente a través de cada resistencia sigue siendo de 90 mA. Pero, dado que solo hay un cuarto de voltaje en cada resistencia, solo hay un cuarto de tanta energía disipada en cada resistencia. Para esta disposición, solo se necesitan las cuatro resistencias para ser clasificadas para 1/4 W.
Aparte: trabajando a través de ese ejemplo.
Debido a que las cuatro resistencias están en serie, podemos sumar sus valores para obtener su resistencia total, 100 Ω. El uso de la ley de Ohm con esa resistencia total nos da la corriente de 90 mA nuevamente. Y nuevamente, dado que las resistencias están en serie, la misma corriente (90 mA) debe fluir a través de cada una, de regreso a la batería. El voltaje en cada resistencia de 25 Ω es entonces V = I × R, o 90 mA × 25 Ω = 2.25 V. (Para verificar que esto sea razonable, tenga en cuenta
que los voltajes en las cuatro resistencias suman 4 × 2.25 V = 9 V.) La potencia en cada resistencia individual de 25 Ω es P = I × V = 90 mA × 2.25 V ≈ 0.20 W, un nivel seguro para usar con un 1/4 W resistencia. Intuitivamente, también tiene sentido que si divide una resistencia de 100 Ω en cuatro partes iguales, cada una debería disipar un cuarto de la potencia total.
Para nuestro próximo ejemplo, consideremos la siguiente situación: supongamos que tiene un circuito que toma entrada de una fuente de alimentación de 9 V y tiene un regulador lineal incorporado para reducir el voltaje a 5 V, donde todo funciona realmente. Su carga, en el extremo de 5 V, podría ser tan alta como 1 A.
¿Cómo se ve el poder en esta situación?
El regulador actúa esencialmente como una resistencia variable grande, que ajusta su resistencia según sea necesario para mantener una salida constante de 5 V. Cuando la carga de salida es de 1 A, la potencia de salida entregada por el regulador es de 5 V × 1 A = 5 W, y la potencia de entrada al circuito por la fuente de alimentación de 9 V es de 9 W. La tensión cae a través del regulador es 4 V, y a 1 A, eso significa que el regulador lineal disipa 4 W, también la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida.
En cada parte de este circuito, la relación de potencia viene dada por P = I × V. Dos partes, el regulador y la carga, son lugares donde se disipa la potencia. Y en la parte del circuito a través de la fuente de alimentación, P = I × V describe la entrada de potencia al sistema: la tensión aumenta a medida que la corriente viaja a través de la fuente de alimentación.
Además, vale la pena señalar que no hemos dicho qué tipo de carga está tirando ese 1 A. Se está consumiendo energía, pero eso no significa necesariamente que se está convirtiendo en (solo) energía de calor: podría estar alimentando un motor. o alimentando un conjunto de cargadores de batería, por ejemplo.
Aparte:
Si bien una configuración de regulador de voltaje lineal como esta es una configuración muy común para la electrónica, vale la pena señalar que esta también es una disposición increíblemente ineficiente: 4/9 de la potencia de entrada simplemente se quema como calor, incluso cuando se opera a bajas corrientes.