engenharia elétrica
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Algunos componentes electrónicos desarrollan resistencias más bajas o voltajes de activación más bajos (para resistencias no lineales) a medida que aumenta su temperatura interna. Si las condiciones del circuito provocan un flujo de corriente notablemente mayor en estas situaciones, el aumento de la disipación de potencia puede aumentar la temperatura aún más por el calentamiento de Joule. Un círculo vicioso o un efecto de retroalimentación positiva del escape térmico puede causar fallas, a veces de manera espectacular (por ejemplo, una explosión eléctrica o un incendio). Para evitar estos peligros, los sistemas electrónicos bien diseñados suelen incorporar protección de limitación de corriente, como fusibles térmicos, disyuntores o limitadores de corriente PTC.
Para manejar corrientes más grandes, los diseñadores de circuitos pueden conectar múltiples dispositivos de menor capacidad (por ejemplo, transistores, diodos o MOV) en paralelo. Esta técnica puede funcionar bien, pero es susceptible a un fenómeno llamado acaparamiento de corriente, en el cual la corriente no se comparte de manera equitativa en todos los dispositivos. Por lo general, un dispositivo puede tener una resistencia ligeramente inferior y, por lo tanto, consume más corriente, calentándola más que sus dispositivos hermanos, lo que hace que su resistencia disminuya aún más. La carga eléctrica termina canalizándose en un solo dispositivo, que luego falla rápidamente. Por lo tanto, una serie de dispositivos puede no ser más robusta que su componente más débil.
El efecto de acaparamiento de la corriente se puede reducir al combinar cuidadosamente las características de cada dispositivo en paralelo, o al utilizar otras técnicas de diseño para equilibrar la carga eléctrica. Sin embargo, mantener el equilibrio de la carga en condiciones extremas puede no ser sencillo. Los dispositivos con un coeficiente de temperatura positivo (PTC) intrínseco de resistencia eléctrica son menos propensos a la acumulación de corriente, pero aun así puede ocurrir un desbordamiento térmico debido a un pobre hundimiento de calor u otros problemas.
Muchos circuitos electrónicos contienen disposiciones especiales para evitar el desbordamiento térmico. Esto se observa con mayor frecuencia en las disposiciones de polarización de transistores para etapas de salida de alta potencia. Sin embargo, cuando el equipo se utiliza por encima de su temperatura ambiente diseñada, en algunos casos puede ocurrir un desbordamiento térmico. Esto puede ocasionar fallas en el equipo en ambientes calurosos o cuando se bloquean las salidas de aire.
Semicondutores
O silício apresenta um perfil peculiar, pois sua resistência elétrica aumenta com a temperatura até cerca de 160°C, depois começa a diminuir e diminui ainda mais quando o ponto de fusão é atingido. Isto pode levar a fenômenos térmicos descontrolados nas regiões internas da junção semicondutora; A resistência diminui nas regiões que são aquecidas acima deste limiar, permitindo que mais corrente flua através das regiões sobreaquecidas, o que por sua vez provoca um aquecimento ainda maior em comparação com as regiões circundantes, levando a um aumento adicional da temperatura e a uma diminuição da resistência. Isso leva ao fenômeno de "saturação de corrente") e à formação de filamentos de corrente (semelhante ao agrupamento de corrente, mas dentro de um único dispositivo), e é uma das causas subjacentes de muitas falhas de junções de semicondutores.
Transistores de Junção Bipolar (BJTs)
"Vazamento (eletrônico)") a corrente de fuga aumenta significativamente em transistores bipolares (especialmente transistores bipolares baseados em germânio) à medida que a temperatura aumenta. Dependendo do projeto do circuito, esse aumento na corrente de fuga pode aumentar a corrente que flui através de um transistor e, portanto, a dissipação de energia, causando um aumento adicional na corrente de fuga entre o coletor e o emissor. Isso é freqüentemente visto em um estágio push-pull de um amplificador classe AB. Se os transistores pull-up e pull-down forem polarizados para ter distorção de cruzamento mínima à temperatura ambiente, e a polarização não for compensada pela temperatura, então, à medida que a temperatura aumenta, ambos os transistores serão cada vez mais polarizados, fazendo com que a corrente e a potência aumentem ainda mais. , e eventualmente destruindo um ou ambos os dispositivos.
Uma regra prática para evitar fuga térmica é manter o ponto de operação de um BJT de modo que Vce ≤ 1/2Vcc.
Outra prática é montar um transistor sensor de realimentação térmica ou outro dispositivo no dissipador de calor, para controlar a tensão de polarização cruzada. À medida que os transistores de saída aquecem, o mesmo acontece com o transistor de feedback térmico. Isto, por sua vez, faz com que o transistor de realimentação térmica ligue a uma tensão ligeiramente mais baixa, o que reduz a tensão de polarização de cruzamento e, portanto, reduz o calor dissipado pelos transistores de saída.
Se vários transistores BJT estiverem conectados em paralelo (o que é típico em aplicações de alta corrente), pode ocorrer um problema de consumo de corrente. Devem ser tomadas medidas especiais para controlar esta vulnerabilidade característica dos BJTs.
Nos transistores de potência (que consistem efetivamente em muitos pequenos transistores em paralelo), o acúmulo de corrente pode ocorrer entre diferentes partes do próprio transistor, com uma parte do transistor ficando mais quente que as outras. Isto é chamado de segunda ruptura e pode levar à destruição do transistor mesmo quando a temperatura média da junção parece estar em um nível seguro.
MOSFET de potência
Os MOSFETs de potência geralmente aumentam sua resistência com a temperatura. Em algumas circunstâncias, a potência dissipada neste resistor causa aumento do aquecimento da junção, o que aumenta ainda mais a temperatura da junção ", em um loop de feedback positivo. Como consequência, os MOSFETs de potência têm regiões de operação estáveis e instáveis. aliviado até certo ponto pela redução da resistência térmica entre a matriz do transistor e o dissipador de calor. Consulte também potência de projeto térmico.
• - Applet de demonstração Java Para MOSFET térmico descontrolado.
Varistores de óxido metálico (MOV)
Os varistores de óxido metálico normalmente desenvolvem menor resistência à medida que aquecem. Se conectado diretamente através de um barramento de energia CA ou CC (um uso comum para proteção contra transientes elétricos "Regime Transiente (Eletrônico)"), um MOV que desenvolveu uma tensão de captação reduzida pode entrar em fuga térmica catastrófica, possivelmente culminando em uma pequena explosão ou incêndio. Para evitar esta possibilidade, a corrente de falha é geralmente limitada por um fusível térmico, disjuntor ou outro dispositivo limitador de corrente.
Capacitores de tântalo
Os capacitores de tântalo são, sob certas condições, propensos à autodestruição por fuga térmica. O capacitor normalmente consiste em uma esponja de tântalo sinterizada atuando como ânodo, um cátodo de dióxido de manganês e uma camada dielétrica de pentóxido de tântalo criada na superfície da esponja de tântalo por meio de anodização. Pode acontecer que a camada de óxido de tântalo possua pontos fracos que sofram ruptura dielétrica durante um pico de tensão. A esponja de tântalo entra então em contato direto com o dióxido de manganês, e o aumento da corrente de fuga causa aquecimento localizado; Isso normalmente causa uma reação química endotérmica que produz óxido de manganês (III) e regenera (autocura) a camada dielétrica de óxido de tântalo.
No entanto, se a energia dissipada no ponto de falha for suficientemente elevada, pode começar uma reacção exotérmica auto-sustentada, semelhante à reacção termite, com tântalo metálico como combustível e dióxido de manganês como oxidante. Esta reação indesejável destruirá o condensador, produzindo fumaça e possivelmente chamas.[10].
Portanto, os capacitores de tântalo podem ser implantados livremente em circuitos de pequenos sinais, mas a aplicação em circuitos de alta potência deve ser cuidadosamente projetada para evitar falhas térmicas descontroladas.
Lógica digital
A corrente de fuga dos transistores de comutação lógica aumenta com a temperatura. Em casos raros, isso pode causar fuga térmica em circuitos digitais. Este não é um problema comum, já que as correntes de fuga normalmente constituem uma pequena porção do consumo total de energia, portanto o aumento de potência é bastante modesto: para um Athlon 64, a dissipação de potência aumenta cerca de 10% para cada 30 graus Celsius. (kelvins por watt), que é cerca de 6 vezes pior que o calor do lavatório Athlon 64 original. (Um dissipador de calor Athlon 64 padrão é avaliado em 0,34 K/W, embora a resistência térmica real ao ambiente seja um pouco maior, devido ao limite térmico entre o processador e o dissipador de calor, aumento das temperaturas do gabinete e outras resistências térmicas.), um dissipador de calor inadequado com uma resistência térmica de mais de 0,5 a 1 K/W resultaria na destruição de um dispositivo de 100 W, mesmo sem efeitos térmicos descontrolados.
Baterias
Quando manuseadas incorretamente ou fabricadas com defeito, algumas baterias recarregáveis podem sofrer fuga térmica que pode resultar em superaquecimento. As células seladas às vezes explodem violentamente se as aberturas de segurança estiverem sobrecarregadas ou inoperantes.[12] As baterias de íon-lítio, especialmente na forma de bateria de polímero de lítio, são especialmente propensas à fuga térmica. Relatos de telefones celulares explodindo ocasionalmente aparecem nos jornais. Em 2006, baterias da Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell e outros fabricantes de laptops foram recolhidas devido a incêndios e explosões. A Administração de Segurança de Oleodutos e Materiais Perigosos (PHMSA) do Departamento de Transportes dos EUA estabeleceu regulamentos relativos ao transporte de certos tipos de baterias em aviões devido à sua instabilidade em determinadas situações. Esta ação foi parcialmente inspirada por um incêndio no porão de carga de um avião da UPS.[17]
Uma solução possível é usar materiais anódicos (titanatos de lítio) e cátodos (fosfato de ferro-lítio) mais seguros e menos reativos, evitando assim eletrodos de cobalto em muitas células recarregáveis de lítio, juntamente com eletrólitos não inflamáveis baseados em líquidos iônicos.