Como Calcular a Dissipação de Potência

Entender a dissipação de potência de um componente individual, um bloco elétrico ou até mesmo todo o sistema eletrônico é essencial para engenheiros eletrônicos. É importante não apenas para evitar exceder os limites máximos dos componentes, mas também para calcular parâmetros desconhecidos nos lados de entrada ou saída, porque a dissipação de potência está relacionada à tensão e corrente do sistema. Neste artigo, descrevo minhas práticas para analisar a dissipação de potência em projetos eletrônicos.

Como Calcular a Dissipação de Potência: O Básico

Primeiro, vou passar pelos fundamentos da dissipação de potência nos quais todos os meus métodos de análise são baseados. A primeira regra relacionada à potência é a seguinte: A potência de entrada do sistema é sempre maior que a potência de saída, e nunca pode ser o contrário, ou seja, sempre há alguma perda de potência (Ploss) nos componentes, e esta é a sua dissipação de potência. A fórmula da dissipação de potência é então Pin–Pout.

O fluxo básico da dissipação de potência é apresentado na Imagem 1. Se inserirmos potência no sistema, uma parte dessa potência é perdida dentro do sistema em forma de calor, e a potência de saída é reduzida. Assim, a potência de saída deve ser menor que a potência de entrada.

A maior parte da perda de energia eventualmente se transforma em calor dentro de um componente; isso é tipicamente considerado como dissipação de energia. No caso de componentes ativos, parte da energia total pode ser transferida para outras formas de energia, o que geralmente é considerado consumo de energia. Por exemplo, em LEDs, a energia consiste em luz emitida (consumo de energia) e calor (dissipação de energia). Então, dissipação de energia é calor, e consumo de energia é a energia que queremos obter do sistema. Nas fórmulas de dissipação de energia, não analisamos a transferência de energia, por exemplo, de eletricidade para luz, mas apenas quanto o sistema ou um componente dissipa energia.

A segunda regra é a relação da potência elétrica com a tensão e a corrente. Como sabemos, ela é dada pela tensão adicionada multiplicada pelo consumo de corrente de um sistema, ou seja, P = UI. A relação entre tensão e corrente é a resistência ou impedância, que é a conhecida lei de Ohm U = RI ou U = ZI. Com essas duas equações e suas combinações, realizamos todos os cálculos de dissipação de potência. É bom lembrar que essas leis são sempre válidas. Temos a mesma potência elétrica se uma tensão adicionada for de 5V, e a corrente for de 1A através de um resistor de 5Ω, ou se a tensão adicionada for de 1V, mas o consumo de corrente for de 5A através de um resistor de 0.2Ω. Em ambos os casos, a dissipação de potência é de 5W, independentemente de calcularmos usando tensão e corrente ou corrente e resistência. Em cálculos baseados em corrente, obtemos P = RI², com P = 5Ω*1A² = 5W ou P = 0.2Ω*5A² = 5W.

O terceiro parâmetro importante na análise de dissipação de potência é a eficiência, ƞ. A eficiência indica quão bem a energia é transferida da entrada para a saída.

• ƞ = Pout/ Pin

Porque a potência de saída é sempre menor que a potência de entrada, a eficiência é sempre menor que 1. Muitas folhas de dados de componentes de "potência" fornecem a eficiência, e com esse número, podemos estimar a quantidade de potência transferida de entrada para saída e, assim, calcular os níveis de tensão e corrente. O quarto item importante a saber é qual está mudando no sistema; é a tensão, a corrente ou ambos? Tipicamente, componentes passivos e LEDs são "sistemas" nos quais a tensão muda de entrada para saída, mas a corrente permanece a mesma. Em sistemas ativos, a corrente ou a tensão ou até ambos podem mudar. Por exemplo, conversores chaveados tipicamente têm tensões e correntes diferentes na entrada comparadas à saída.

Dissipação de Potência Média ou de Pico?

Muitas vezes, a dissipação de energia não é constante, mas varia ao longo do tempo, periodicamente. Nessas situações, ainda usamos os mesmos princípios para analisar a dissipação de energia, mas precisamos entender o que calcular. Se desenharmos a dissipação de energia como uma função do tempo para a dissipação de energia média e de pico, obtemos algo semelhante ao que é apresentado na imagem 2. A dissipação de energia média é constante ao longo do tempo, mas com a dissipação de energia variável, vemos picos de energia no gráfico. A dissipação de energia é uma integral de tempo de um período [1], [2], e para os casos na Imagem 2, a dissipação de energia ocorre onde T = t3.

Na prática, uma integral calcula a área, que é limitada pelas curvas de energia. Na Imagem 2, a alteração da dissipação de energia é A2, e a dissipação de energia constante é A1. Se ambas as dissipações de energia são medidas a partir do mesmo dispositivo, o cálculo integral dá o mesmo resultado para ambos os casos, de tal forma que a área de A2 é igual à área de A1.

Ao analisar fórmulas de dissipação de potência, precisamos entender como levar em conta a dissipação de potência alternada durante nossos cálculos. A média soma toda a potência dissipada em um período e a distribui igualmente dentro desse período. A dissipação de potência de pico é a dissipação de potência máxima em um momento específico, ou seja, o máximo de p(t) na equação (1) [1]. A dissipação de potência média inclui a dissipação de potência de pico, mas também momentos em que a dissipação de potência é menor ou zero. Assim, a dissipação de potência média é útil quando estamos interessados na potência que aquece o componente. A dissipação de potência de pico é útil quando a usamos para analisar picos de corrente e tensão. De acordo com a referência [3], alguns multímetros medem no modo AC a Raiz Quadrada Média (RMS) de um sinal, e esse valor tem uma relação direta com a dissipação de potência média. As referências [1] e [2] mostram como a dissipação de potência média se correlaciona com sinais AC medidos em RMS, e essa relação é:

• Pᴬⱽᴱ = Iᴿᴹˢ * Uᴿᴹˢ

Se calculamos a dissipação de potência média, podemos verificar os cálculos apenas medindo correntes e tensões alternadas usando as configurações AC do multímetro. Claro, se sabemos que temos condições de DC em nosso sistema, precisamos medir a corrente e a tensão no modo DC.

Analisando a Dissipação de Potência: Mudanças de Tensão – Corrente Constante

O primeiro exemplo é simples, mas aplicável a todos os engenheiros eletrônicos: regulador LDO. Esses reguladores podem ser modelados de forma semelhante à figura 3. Também podemos determinar rapidamente que a corrente de entrada e a corrente de saída são quase as mesmas, mas as tensões diferem entre a entrada e a saída. Para sistemas com consumo de corrente muito pequeno, a corrente quiescente do LDO torna-se importante, mas se a corrente de saída for relativamente muito maior do que a corrente quiescente, podemos ignorá-la.

Neste exemplo, temos uma tensão de entrada de 5V, uma tensão de saída regulada de 3,6V e uma corrente de saída DC de 140mA. O cálculo da dissipação de potência para este LDO é o seguinte:

• Ploss = Pin – Pout
• = Vin * In - Vout * Iout
• = 5V*0.14A - 3.6V*0.14A
• = 0.7W – 0.504W
• = 0.196W

A eficiência é então

• ƞ = 0.504W/0.7W = 0.72

Na figura 4, podemos ver os resultados reais de medição para este exemplo de LDO. Vemos que a corrente de entrada e saída são as mesmas, e a tensão de entrada e saída são diferentes.

Vemos o parâmetro crítico, do ponto de vista da dissipação de energia, em sistemas de corrente constante como a diferença de tensão entre entrada e saída. Para esses, você deve analisar cuidadosamente a queda de tensão em relação à corrente e perceber que ela acaba se transformando em calor. Você deve garantir que o componente selecionado possa suportar a dissipação de energia calculada e projetá-lo para 80% do máximo indicado na ficha técnica. Da mesma forma, podemos analisar a dissipação de energia de componentes passivos, LEDs, diodos, transistores, etc.

Analisando a Dissipação de Energia: Mudanças de Tensão e Corrente

Nosso segundo exemplo é mais complicado: um regulador chaveado. Um conversor buck-boost, apresentado na imagem 5, é um sistema no qual tanto a tensão quanto a corrente mudam. Neste exemplo, a faixa de tensão de entrada é de 10V a 20V, a corrente de entrada é desconhecida, pois depende também da tensão de entrada, a tensão de saída projetada é fixada em 13,5V e a corrente de carga de saída necessária é de 80mA.

Começamos a analisar a dissipação de energia estimando primeiro a corrente de entrada que o conversor recebe. Para isso, utilizamos cálculos de fórmulas de potência e eficiência baseados na lei de Ohm. A potência de saída do conversor é

• Pout = Vout * Iout

Para isso, adicionamos a equação de eficiência e obtemos

• Vout * Iout = ƞ * Pin

Continuando os cálculos usando números reais (Vin 20V) apresentados anteriormente, obtemos:

• 13.5V*0.08A = ƞ * 20V* Iin
• 1.08W = ƞ * 20V* Iin

Temos dois parâmetros desconhecidos, e a partir da folha de dados do conversor chaveado, precisamos verificar a eficiência para as faixas de tensão e corrente usadas. Neste caso, é aproximadamente ƞ = 0.85. Agora podemos calcular a corrente de entrada do nosso regulador chaveado:

• Iin = 1.08W/(0.85*20V) = 64mA

Agora temos todos os parâmetros para calcular a dissipação de potência do conversor chaveado, e obtemos a fórmula:

• Ploss = Pin – Pout = 0.064A*20V – 0.08A*13.5V = 1.28W – 1.08W = 0.2W

Uma medição real prova que os cálculos estão corretos, como mostrado na imagem 6. Vemos que a eficiência nesta amostra real é ligeiramente melhor do que em nossos cálculos, mas no geral vemos que este modelo de análise é completamente preciso.

Da mesma forma que podemos calcular a dissipação de potência no modo boost, podemos ver novamente a correlação entre nosso cálculo e as medições reais conforme apresentado na imagem 7. Agora, a corrente de entrada analisada é

• Iin = 13.5V*0.08A / 0.85*10V = 0.129A

A dissipação de potência no modo boost é então:

• Ploss = Pin – Pout = 0.129A*10V – 0.08A*13.5V = 1.29W – 1.08W = 0.21W

O conversor chaveado é um exemplo da dissipação de potência de um bloco de potência elétrica. Ele não considera a dissipação de potência de componentes individuais, apenas a dissipação de potência de um sistema inteiro.

O que Analisar?

A dissipação de potência tem uma relação próxima com o aquecimento de um componente, e é importante calcular todos os componentes que reconhecemos como críticos. Esses componentes podem ser reguladores de tensão, transistores, diodos, LEDs e passivos. Para componentes críticos, devemos verificar pelo menos a condição máxima extrema, que tipicamente ocorre quando o consumo de corrente RMS é o máximo. Precisamos comparar o valor máximo calculado com o máximo do componente e garantir que isso não seja excedido em nenhum caso durante a operação normal do produto.

Em segundo lugar, precisamos analisar a dissipação de potência de blocos eletrônicos críticos, como conversores chaveados, circuitos de acionamento e estágios de potência. Para isso, podemos utilizar cálculos de dissipação de potência como trabalho de design básico, como vimos no exemplo do conversor chaveado. Além disso, a dissipação de potência calculada vale a pena ser comparada com os valores das fichas técnicas, mas a seleção de componentes individuais para blocos eletrônicos deve ser baseada em design e simulações.

Também precisamos analisar a dissipação de potência de todo o sistema eletrônico. Precisamos somar todas as dissipações de potência calculadas dos blocos eletrônicos e compará-las com as capacidades da fonte de alimentação. Dessa forma, podemos garantir que nossa fonte de alimentação pode fornecer a potência necessária para o dispositivo dentro de toda a faixa de tensão de fornecimento.

Por último, mas não menos importante, precisamos lembrar que a maior parte dessa dissipação de potência se transforma em calor, e precisamos analisar se a eletrônica requer resfriamento adicional, ou se podemos conviver com isso.

Referências

[1] Joe Wolfe, RMS e potência em circuitos AC de fase única e trifásica, Artigo da Web na Universidade de Nova Gales do Sul, Sydney, Austrália.

[2] Freddy Alferink, Teoria e definições: Energia e potência.

[3] Blog no site da Fluke: O que é verdadeiro-RMS?