Ingeniería eléctrica
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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.
Semiconductores
El silicio muestra un perfil peculiar, ya que su resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 160 °C, luego comienza a disminuir y disminuye aún más cuando se alcanza el punto de fusión. Esto puede llevar a fenómenos térmicos fuera de control dentro de las regiones internas de la unión semiconductora; la resistencia disminuye en las regiones que se calientan por encima de este umbral, lo que permite que fluya más corriente a través de las regiones sobrecalentadas, lo que a su vez provoca un calentamiento aún mayor en comparación con las regiones circundantes, lo que conduce a un mayor aumento de la temperatura y una disminución de la resistencia. Esto conduce al fenómeno de la saturación de corriente") y la formación de filamentos de corriente (similar a la acumulación de corriente, pero dentro de un solo dispositivo), y es una de las causas subyacentes de muchas fallas en la unión de semiconductores.
Transistores de unión bipolar (BJTs)
La corriente de fuga "Fuga (electrónica)") aumenta significativamente en los transistores bipolares (especialmente los transistores bipolares basados en germanio) a medida que aumentan la temperatura. Dependiendo del diseño del circuito, este aumento en la corriente de fuga puede aumentar la corriente que fluye a través de un transistor y, por lo tanto, la disipación de la energía, causando un aumento adicional en la corriente de fuga entre el colector y el emisor. Esto se ve con frecuencia en una etapa push-pull de un amplificador de clase AB. Si los transistores de pull-up y pull-down están polarizados para tener una distorsión de cruce mínima a temperatura ambiente, y la polarización no se compensa con la temperatura, entonces, a medida que aumenta la temperatura, ambos transistores estarán cada vez más sesgados, lo que hará que la corriente y la potencia aumenten aún más. , y eventualmente destruyendo uno o ambos dispositivos.
Una regla de oro para evitar el embalamiento térmico es mantener el punto de operación de un BJT para que Vce ≤ 1 / 2Vcc.
Otra práctica es montar un transistor sensor de retroalimentación térmica u otro dispositivo en el disipador de calor, para controlar el voltaje de polarización de cruce. A medida que los transistores de salida se calientan, también lo hace el transistor de retroalimentación térmica. Esto, a su vez, hace que el transistor de retroalimentación térmica se encienda a un voltaje ligeramente más bajo, lo que reduce el voltaje de polarización de cruce y, por lo tanto, reduce el calor disipado por los transistores de salida.
Si se conectan varios transistores BJT en paralelo (lo que es típico en aplicaciones de alta corriente), puede ocurrir un problema de acaparamiento actual. Deben tomarse medidas especiales para controlar esta vulnerabilidad característica de los BJT.
En los transistores de potencia (que consisten efectivamente en muchos transistores pequeños en paralelo), la acumulación de corriente puede ocurrir entre diferentes partes del transistor en sí, con una parte del transistor que se calienta más que las otras. Esto se denomina segunda ruptura y puede provocar la destrucción del transistor incluso cuando la temperatura promedio de la unión parece estar en un nivel seguro.
MOSFET de energía
Los MOSFETs de potencia generalmente aumentan su resistencia de activación con la temperatura. En algunas circunstancias, la potencia disipada en esta resistencia provoca un mayor calentamiento de la unión, lo que aumenta aún más la temperatura de la unión"), en un circuito de retroalimentación positiva. Como consecuencia, los MOSFET de potencia tienen regiones de operación estables e inestables.[8] Sin embargo, el aumento de la resistencia de encendido con la temperatura ayuda a equilibrar la corriente a través de múltiples MOSFET conectados en paralelo, por lo que no se produce la acumulación de corriente. Si un transistor MOSFET produce más calor del que el disipador de calor puede disiparse, el escape térmico aún puede destruir los transistores. Este problema se puede aliviar hasta cierto punto reduciendo la resistencia térmica entre la matriz del transistor y el disipador térmico. Ver también la potencia de diseño térmico.
• - Java applet demo De MOSFET térmico runaway.
Varistores de óxido de metal (MOV)
Los varistores de óxido de metal típicamente desarrollan una resistencia menor a medida que se calientan. Si se conecta directamente a través de un bus de alimentación de CA o CC (un uso común para la protección contra transitorios eléctricos "Régimen transitorio (electrónica)")), un MOV que ha desarrollado un voltaje de activación reducido puede deslizarse hacia un fugitivo térmico catastrófico, que posiblemente culmine en una pequeña explosión o incendio.[9] Para evitar esta posibilidad, la corriente de falla generalmente está limitada por un fusible térmico, un disyuntor u otro dispositivo limitador de corriente.
Condensadores de tantalio
Los condensadores de tantalio están, bajo ciertas condiciones, propensos a la autodestrucción por el escape térmico. El condensador consiste típicamente en una esponja de tantalio sinterizada que actúa como ánodo, un cátodo de dióxido de manganeso y una capa dieléctrica de pentóxido de tantalio creado en la superficie de la esponja de tantalio mediante anodización. Puede suceder que la capa de óxido de tantalio tenga puntos débiles que sufran una ruptura dieléctrica durante un pico de voltaje. La esponja de tantalio luego entra en contacto directo con el dióxido de manganeso, y el aumento de la corriente de fuga provoca un calentamiento localizado; por lo general, esto provoca una reacción química endotérmica que produce óxido de manganeso (III) y regenera (se autocura) la capa dieléctrica de óxido de tantalio.
Sin embargo, si la energía disipada en el punto de falla es lo suficientemente alta, puede comenzar una reacción exotérmica autosuficiente, similar a la reacción de la termita, con tántalo metálico como combustible y dióxido de manganeso como oxidante. Esta reacción indeseable destruirá el condensador, produciendo humo y posiblemente llama.[10].
Por lo tanto, los condensadores de tantalio pueden desplegarse libremente en circuitos de pequeña señal, pero la aplicación en circuitos de alta potencia debe diseñarse cuidadosamente para evitar fallas térmicas fuera de control.
Lógica digital
La corriente de fuga de los transistores de conmutación lógica aumenta con la temperatura. En raras ocasiones, esto puede conducir a un desbordamiento térmico en los circuitos digitales. Este no es un problema común, ya que las corrientes de fuga generalmente constituyen una pequeña porción del consumo general de energía, por lo que el aumento en la potencia es bastante modesto: para un Athlon 64, la disipación de potencia aumenta aproximadamente un 10% por cada 30 grados centígrados.[11] Para un dispositivo con un TDP de 100 W, para que ocurra un desbordamiento térmico, el disipador de calor tendría que tener una resistividad térmica de más de 3 K / W (kelvins por vatio), que es aproximadamente 6 veces peor que el calor del Athlon 64 original. lavabo. (Un disipador de calor Athlon 64 de serie tiene una capacidad nominal de 0,34 K / W, aunque la resistencia térmica real al medio ambiente es algo mayor, debido al límite térmico entre el procesador y el disipador de calor, el aumento de las temperaturas en la carcasa y otras resistencias térmicas). , un disipador de calor inadecuado con una resistencia térmica de más de 0,5 a 1 K / W resultaría en la destrucción de un dispositivo de 100 W, incluso sin efectos térmicos fuera de control.
Baterías
Cuando se manipulan incorrectamente o si se fabrican de manera defectuosa, algunas baterías recargables pueden experimentar un desbordamiento térmico que puede resultar en un sobrecalentamiento. Las celdas selladas a veces explotarán violentamente si los respiraderos de seguridad están abrumados o no funcionan.[12] Las baterías de iones de litio, especialmente en forma de batería de polímero de litio, son especialmente propensas a las fugas térmicas. Informes de teléfonos celulares explotando ocasionalmente aparecen en los periódicos. En 2006, las baterías de Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell y otros fabricantes de computadoras portátiles fueron retiradas del mercado debido a incendios y explosiones.[13][14][15][16] La Administración de Seguridad de Tuberías y Materiales Peligrosos (PHMSA, por sus siglas en inglés) del Departamento de Transporte de los EE. UU. Ha establecido regulaciones con respecto al transporte de ciertos tipos de baterías en aviones debido a su inestabilidad en ciertas situaciones. Esta acción fue parcialmente inspirada por un incendio en una bodega de carga en un avión de UPS.[17]
Una de las soluciones posibles es utilizar materiales de ánodo (titanatos de litio) y cátodos (fosfato de hierro y litio) más seguros y menos reactivos, evitando así los electrodos de cobalto en muchas celdas recargables de litio, junto con electrolitos no inflamables basados en líquidos iónicos.