Cómo se calcula el calor
Un regulador lineal lleva toda la corriente de la carga y hace caer sobre sí mismo la diferencia entre entrada y salida. Toda esa potencia se convierte en calor, junto con la que gasta el propio regulador para funcionar (por su corriente de reposo).
P = (Vin − Vout) × Icarga + Vin × Iq
Tj = Ta + P × θJA
η = (Vout × Icarga) ÷ (Vin × (Icarga + Iq))
Ejemplo: un AMS1117-3.3 desde 12 V que alimenta un ESP32 con el WiFi encendido (120 mA). P = 8,7 V × 0,12 A + 12 V × 5 mA = 1,1 W. En SOT-223, a 90 °C/W, la unión llega a 25 + 99 = 124 °C, justo en el límite de 125 °C. La eficiencia es del 26 %: tres cuartas partes de la potencia se convierten en calor.
Dropout: la tensión de entrada mínima
Para funcionar, un regulador necesita algo de tensión entre la entrada y la salida. Por debajo de la tensión de salida más el dropout, la salida sigue a la entrada hacia abajo. Los componentes bipolares como el AMS1117 y el 7805 necesitan unos 1,1 V y 2 V, respectivamente; los LDO CMOS como el MCP1700, de decenas a unos cientos de milivoltios, que suben con la corriente. La comprobación usa la corriente de pico y la tensión de entrada mínima, porque ahí es donde el regulador falla primero.
Vin,mín = Vout + Vdropout(Ipico)
Ejemplo: un AMS1117-3.3 necesita 3,3 + 1,1 = 4,4 V. Desde USB (4,75 V o más) funciona; desde una celda Li-ion, que baja de 4,2 V a 3,0 V, nunca regula como debe.
Reguladores en TO-220 y disipadores
Tj = Ta + P × (θJC + θCS + θSA)
θSA ≤ (Tjmáx − 25 °C − Ta) ÷ P − θJC − θCS
Al aire libre, un 7805 en TO-220 tiene θJA = 50 °C/W: con 25 °C de ambiente llega a 125 °C con 2 W. Con disipador, el calor pasa por el encapsulado (θJC, 5 °C/W), por el contacto (θCS, alrededor de 1 °C/W con pasta térmica, valor supuesto aquí) y por el disipador (θSA, de su hoja de datos). La calculadora dimensiona el disipador para dejar 25 °C de margen por debajo del límite.
Los reguladores de la lista
| Componente | Encapsulado | Dropout | En reposo | Corriente máx. | Entrada máx. | θJA |
|---|
| AMS1117 | SOT-223 | 1,1 V / 800 mA | 5 mA | 900 mA | 15 V | 90 °C/W |
| LM1117 | SOT-223 | 1,2 V / 800 mA | 5 mA | 800 mA | 15 V | 61,6 °C/W |
| 78xx (L7805…) | TO-220 | 2 V / 1 A | 8 mA | 1,5 A | 35 V | 50 °C/W |
| 78Lxx (78L05…) | TO-92 | 1,7 V / 40 mA | 3,8 mA | 100 mA | 30 V | 156 °C/W |
| LM317 | TO-220 | 2 V / 1 A | 5 mA | 1,5 A | 40 V (entrada − salida) | 50 °C/W |
| MCP1700 | SOT-23 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 336 °C/W |
| MCP1700 | TO-92 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 160 °C/W |
| HT73xx (HT7333…) | SOT-89 | 90 mV / 40 mA | 4 µA | 250 mA | 12 V | 200 °C/W |
| XC6206 | SOT-23 | 250 mV / 100 mA | 1 µA | 200 mA | 6 V | 200 °C/W |
| AP2112K | SOT-23-5 | 250 mV / 600 mA | 55 µA | 600 mA | 6 V | 184 °C/W |
| TLV755P | SOT-23-5 | 150 mV / 500 mA | 25 µA | 500 mA | 5,5 V | 231 °C/W |
Valores típicos a 25 °C de las hojas de datos de los fabricantes (AMS, Texas Instruments, STMicroelectronics, Microchip, Holtek, Torex, Diodes). El dropout máximo garantizado es mayor: 1,3 V para el AMS1117. Cada fabricante mide la θJA en su propia placa de prueba, así que los valores solo se pueden comparar a grandes rasgos.
Por qué la θJA es solo un punto de partida
Los encapsulados pequeños evacuan el calor a través del cobre en el que están soldados. TI midió el LM1117 en SOT-223 a 136 °C/W con una isla de unos 8 mm² y a 66 °C/W con 6,5 cm² (una pulgada cuadrada) de cobre; AMS da de 55 a 80 °C/W para el AMS1117 según el área de cobre. El valor de la hoja de datos da el orden de magnitud, y el cobre de tu placa decide el resto.
¿Lineal o conmutado?
Un regulador lineal es barato, pequeño y silencioso: su salida no tiene rizado de conmutación, y por eso se sigue usando para ADC, audio y radio, a menudo después de un convertidor conmutado. Tiene sentido cuando la diferencia de tensión es pequeña o la corriente es baja. Con una caída grande (de 12 V a 3,3 V) o cientos de miliamperios, un convertidor reductor desperdicia mucho menos. En un proyecto a batería que duerme casi siempre, lo que cuenta es la corriente de reposo: 1,6 µA en un MCP1700, unos 5 mA en un AMS1117.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se calcula la potencia que disipa un regulador lineal?
P = (Vin − Vout) × Icarga + Vin × Iq. De 12 V a 3,3 V con 120 mA son 8,7 V × 0,12 A = 1,04 W, más 12 V × 5 mA = 0,06 W en un AMS1117: 1,1 W en total. Multiplica por la θJA y suma la temperatura ambiente para obtener la temperatura de unión.
¿Por qué se calienta tanto mi AMS1117?
Porque quema toda la diferencia de tensión. Desde 12 V con 120 mA disipa 1,1 W, y en SOT-223 a 90 °C/W eso supone unos 100 °C por encima del ambiente. Desde 5 V, la misma carga da 0,23 W y unos 21 °C por encima del ambiente. Baja la tensión de entrada o usa un convertidor reductor.
¿Puede un AMS1117 dar 3,3 V desde una batería Li-ion?
No. Necesita unos 1,1 V de margen, así que al menos 4,4 V en la entrada, mientras que una celda Li-ion baja de 4,2 V a 3,0 V. Usa un LDO CMOS de bajo dropout (el TLV755P tiene 150 mV a 500 mA, así que regula hasta unos 3,45 V) o, para aprovechar toda la batería, un convertidor buck-boost como el TPS63802.
¿Qué disipador necesita un 7805?
De 12 V a 5 V con 500 mA disipa 7 V × 0,5 A + 12 V × 8 mA = 3,6 W. Para quedarse 25 °C por debajo del límite de 125 °C con 25 °C de ambiente, la θSA debe ser como mucho 75 ÷ 3,6 − 5 − 1 = 15 °C/W. Sin disipador llegaría a 25 + 3,6 × 50 = 205 °C y saltaría la protección térmica.
¿Puedo sustituir un 7805 por un módulo conmutado?
Sí. Los módulos Recom R-78E y Traco TSR 1 tienen las patillas en el mismo orden (entrada, masa, salida), caben en la huella TO-220 y no necesitan disipador. Comprueba el rango de entrada (R-78E5.0-0.5: 7–28 V, 500 mA) y pon los condensadores que pide la hoja de datos del módulo.
¿Puedo alimentar un ESP32 directamente desde una batería?
Desde una celda LiFePO4, sí, con cuidado: los módulos ESP32 aceptan de 3,0 a 3,6 V (3,6 V es también su máximo absoluto) y la celda se mantiene en torno a 3,2–3,3 V durante casi toda la descarga. Una carga estándar termina en 3,65 V, así que usa un cargador que se detenga por debajo de 3,6 V y corta el módulo a 3,0 V. Desde una celda Li-ion, no: a 4,2 V supera con creces el máximo.
¿Hay casos en que un regulador lineal sea mejor que un convertidor reductor?
Sí: cuando la caída de tensión es pequeña (de 5 V a 3,3 V con poca corriente), cuando el circuito es sensible al ruido (ADC, audio, radio), o cuando el tamaño y el coste importan más que la eficiencia. Una combinación habitual es un reductor que baja hasta cerca de la tensión deseada, seguido de un LDO de bajo ruido.