Einige elektronische Komponenten entwickeln niedrigere Widerstände oder niedrigere Ansteuerspannungen (für nichtlineare Widerstände), wenn ihre Innentemperatur ansteigt. Wenn Schaltungsbedingungen in diesen Situationen einen deutlich erhöhten Stromfluss verursachen, kann eine erhöhte Verlustleistung die Temperatur durch Joule-Erwärmung weiter erhöhen. Ein Teufelskreis oder ein positiver Rückkopplungseffekt des thermischen Durchgangs kann zu Ausfällen führen, manchmal auf spektakuläre Weise (z. B. elektrische Explosion oder Brand). Um diese Gefahren zu verhindern, enthalten gut entworfene elektronische Systeme gewöhnlich Strombegrenzungsschutz, wie thermische Sicherungen, Leistungsschalter oder PTC-Strombegrenzer.

Um größere Ströme zu verarbeiten, können Schaltungsentwickler mehrere Geräte mit geringerer Kapazität (z. B. Transistoren, Dioden oder MOVs) parallel schalten. Diese Technik kann gut funktionieren, ist aber anfällig für ein Phänomen namens Current Hogging, bei dem der Strom nicht gleichmäßig auf alle Geräte verteilt wird. Typischerweise kann ein Gerät einen etwas niedrigeren Widerstand haben und somit mehr Strom ziehen, wodurch es mehr erwärmt wird als seine Geschwistergeräte, wodurch sein Widerstand weiter sinkt. Die elektrische Last fließt in ein einziges Gerät, das dann schnell ausfällt. Daher kann ein Array von Geräten nicht robuster sein als seine schwächste Komponente.

Der Strom-Hogging-Effekt kann reduziert werden, indem die Eigenschaften jedes parallel geschalteten Geräts sorgfältig aufeinander abgestimmt werden oder indem andere Konstruktionstechniken verwendet werden, um die elektrische Last auszugleichen. Die Aufrechterhaltung des Lastausgleichs unter extremen Bedingungen ist jedoch möglicherweise nicht einfach. Geräte mit einem intrinsischen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des elektrischen Widerstands sind weniger anfällig für Stromverschleppung, aber thermisches Durchgehen kann immer noch aufgrund von schlechtem Wärmeabfall oder anderen Problemen auftreten.

Viele elektronische Schaltungen enthalten spezielle Bestimmungen, um thermisches Durchgehen zu verhindern. Dies ist am häufigsten in Transistorvorspannungsanordnungen für Hochleistungsendstufen zu sehen. Wenn Geräte jedoch oberhalb der vorgesehenen Umgebungstemperatur verwendet werden, kann es in einigen Fällen immer noch zu einem thermischen Durchgehen kommen. Dies führt gelegentlich zu Geräteausfällen in heißen Umgebungen oder wenn Luftkühlungsöffnungen blockiert sind.

Halbleiter

Silizium zeigt ein eigenartiges Profil, indem sein elektrischer Widerstand mit der Temperatur bis zu etwa 160 ° C zunimmt, dann abnimmt und weiter abfällt, wenn der Schmelzpunkt erreicht ist. Dies kann zu thermischen Runaway-Phänomenen innerhalb interner Bereiche des Halbleiterübergangs führen; in den Bereichen, die sich oberhalb dieser Schwelle erwärmen, nimmt der Widerstand ab, so dass mehr Strom durch die überhitzten Bereiche fließen kann, was wiederum zu einer noch stärkeren Erwärmung im Vergleich zu den umgebenden Bereichen führt, was zu einer weiteren Temperaturerhöhung und Widerstandsabnahme führt. Dies führt zu dem Phänomen der Stromüberfüllung und der Bildung von Stromfilamenten (ähnlich der Stromverschleppung, jedoch innerhalb einer einzelnen Vorrichtung) und ist eine der zugrunde liegenden Ursachen für viele Halbleiterübergangsfehler.

Bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs)Bearbeiten

Der Leckstrom steigt bei Bipolartransistoren (insbesondere Bipolartransistoren auf Germaniumbasis) mit zunehmender Temperatur signifikant an. Je nach Auslegung der Schaltung kann diese Erhöhung des Leckstroms den durch einen Transistor fließenden Strom und damit die Verlustleistung erhöhen, was zu einer weiteren Erhöhung des Kollektor-Emitter-Leckstroms führt. Dies ist häufig in einer Gegentaktstufe eines Verstärkers der Klasse AB zu sehen. Wenn die Pull-Up- und Pull-Down-Transistoren so vorgespannt sind, dass sie bei Raumtemperatur eine minimale Übergangsverzerrung aufweisen, und die Vorspannung nicht temperaturkompensiert ist, werden mit steigender Temperatur beide Transistoren zunehmend vorgespannt, wodurch Strom und Leistung weiter zunehmen und schließlich eine oder beide Vorrichtungen zerstören.

Eine Faustregel, um thermisches Durchgehen zu vermeiden, besteht darin, den Betriebspunkt eines BJT so zu halten, dass Vce ≤ 1 / 2Vcc

Eine andere Praxis besteht darin, einen thermischen Rückkopplungstransistor oder ein anderes Gerät auf dem Kühlkörper zu montieren, um die Frequenzweichenvorspannung zu steuern. Wenn sich die Ausgangstransistoren erwärmen, erwärmt sich auch der thermische Rückkopplungstransistor. Dies wiederum bewirkt, dass der thermische Rückkopplungstransistor bei einer etwas niedrigeren Spannung einschaltet, wodurch die Kreuzungsvorspannung verringert wird und somit die von den Ausgangstransistoren abgegebene Wärme verringert wird.

Wenn mehrere BJT-Transistoren parallel geschaltet sind (was typisch für Hochstromanwendungen ist), kann ein Stromhogging-Problem auftreten. Es müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um diese charakteristische Anfälligkeit von BJTs zu kontrollieren.In Leistungstransistoren (die effektiv aus vielen kleinen Transistoren parallel bestehen) kann es zwischen verschiedenen Teilen des Transistors selbst zu einer Stromverschleppung kommen, wobei ein Teil des Transistors heißer wird als die anderen. Dies wird als zweiter Durchschlag bezeichnet und kann zur Zerstörung des Transistors führen, selbst wenn die durchschnittliche Sperrschichttemperatur auf einem sicheren Niveau zu liegen scheint.

Leistungs-MOSFETsEdit

Leistungs-MOSFETs erhöhen typischerweise ihren Einschaltwiderstand mit der Temperatur. Unter bestimmten Umständen bewirkt die in diesem Widerstand abgeführte Leistung eine stärkere Erwärmung der Sperrschicht, was die Sperrschichttemperatur in einer positiven Rückkopplungsschleife weiter erhöht. Infolgedessen haben Leistungs-MOSFETs stabile und instabile Betriebsbereiche. Die Erhöhung des Einschaltwiderstands mit der Temperatur hilft jedoch dabei, den Strom über mehrere parallel geschaltete MOSFETs auszugleichen, sodass keine Stromverschleppung auftritt. Wenn ein MOSFET-Transistor mehr Wärme erzeugt, als der Kühlkörper abführen kann, kann ein thermischer Durchlauf die Transistoren immer noch zerstören. Dieses Problem kann bis zu einem gewissen Grad gelindert werden, indem der thermische Widerstand zwischen dem Transistor-Chip und dem Kühlkörper verringert wird. Siehe auch Thermal Design Power.

Metalloxid-Varistoren (MOVs)Bearbeiten

Metalloxid-Varistoren entwickeln typischerweise einen geringeren Widerstand, wenn sie sich erwärmen. Wenn es direkt über einen AC- oder DC-Leistungsbus angeschlossen wird (eine übliche Verwendung zum Schutz vor elektrischen Transienten), kann ein MOV, das eine niedrigere Triggerspannung entwickelt hat, in einen katastrophalen thermischen Durchlauf geraten, der möglicherweise in einer kleinen Explosion oder einem Brand gipfelt. Um diese Möglichkeit zu verhindern, wird der Fehlerstrom typischerweise durch eine thermische Sicherung, einen Leistungsschalter oder eine andere Strombegrenzungsvorrichtung begrenzt.

Tantal-Kondensatorenbearbeiten

Tantal-Kondensatoren neigen unter bestimmten Bedingungen zur Selbstzerstörung durch thermisches Durchgehen. Der Kondensator besteht typischerweise aus einem gesinterten Tantalschwamm, der als Anode fungiert, einer Mangandioxidkathode und einer dielektrischen Schicht aus Tantalpentoxid, die durch Eloxieren auf der Tantalschwamm-Oberfläche erzeugt wird. Es kann vorkommen, dass die Tantaloxidschicht Schwachstellen aufweist, die während einer Spannungsspitze einen dielektrischen Durchbruch erfahren. Der Tantalschwamm kommt dann in direkten Kontakt mit dem Mangandioxid, und ein erhöhter Leckstrom verursacht eine lokale Erwärmung; Normalerweise treibt dies eine endotherme chemische Reaktion an, die Mangan (III) -oxid erzeugt und die Tantaloxid-Dielektrikumsschicht regeneriert (selbst heilt).

Wenn jedoch die am Ausfallpunkt dissipierte Energie hoch genug ist, kann eine sich selbst erhaltende exotherme Reaktion ähnlich der Thermitreaktion mit metallischem Tantal als Brennstoff und Mangandioxid als Oxidationsmittel beginnen. Diese unerwünschte Reaktion zerstört den Kondensator und erzeugt Rauch und möglicherweise Flammen.

Daher können Tantalkondensatoren frei in Kleinsignalschaltungen eingesetzt werden, aber die Anwendung in Hochleistungsschaltungen muss sorgfältig ausgelegt werden, um thermische Ausfälle zu vermeiden.

Digital logicEdit

Der Leckstrom logischer Schalttransistoren nimmt mit der Temperatur zu. In seltenen Fällen kann dies zu einem thermischen Durchgehen in digitalen Schaltungen führen. Dies ist kein häufiges Problem, da Leckströme normalerweise einen kleinen Teil des Gesamtstromverbrauchs ausmachen, so dass die Leistungssteigerung ziemlich bescheiden ist — bei einem Athlon 64 steigt die Verlustleistung pro 30 Grad Celsius um etwa 10%. Für ein Gerät mit einer TDP von 100 W müsste der Kühlkörper einen spezifischen Wärmewiderstand von über 3 K / W (Kelvin pro Watt) aufweisen, was etwa 6-mal schlechter ist als bei einem serienmäßigen Athlon 64-Kühlkörper. (Ein serienmäßiger Athlon 64-Kühlkörper wird mit 0 bewertet.34 K / W, obwohl der tatsächliche Wärmewiderstand gegenüber der Umgebung aufgrund der thermischen Grenze zwischen Prozessor und Kühlkörper, steigender Temperaturen im Gehäuse und anderer Wärmewiderstände etwas höher ist.) Unabhängig davon würde ein unzureichender Kühlkörper mit einem thermischen Widerstand von über 0,5 bis 1 K/W auch ohne thermische Runaway-Effekte zur Zerstörung eines 100-W-Geräts führen.

BatteriesEdit

Bei unsachgemäßer Handhabung oder fehlerhafter Herstellung können einige wiederaufladbare Batterien thermisch außer Kontrolle geraten und überhitzen. Versiegelte Zellen explodieren manchmal heftig, wenn die Sicherheitsöffnungen überfordert oder nicht funktionsfähig sind. Besonders anfällig für thermisches Durchgehen sind Lithium-Ionen-Batterien, am deutlichsten in Form der Lithium-Polymer-Batterie. Berichte über explodierende Handys erscheinen gelegentlich in Zeitungen. Im Jahr 2006 wurden Batterien von Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell und anderen Notebook-Herstellern wegen Brandes und Explosionen zurückgerufen. Die Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration (PHMSA) der Vereinigten Staaten. Das Verkehrsministerium hat Vorschriften für das Tragen bestimmter Batterietypen in Flugzeugen erlassen, da diese in bestimmten Situationen instabil sind. Diese Aktion wurde teilweise von einem Frachtraumbrand in einem UPS-Flugzeug inspiriert.Eine der möglichen Lösungen besteht darin, sicherere und weniger reaktive Anoden— (Lithiumtitanate) und Kathodenmaterialien (Lithiumeisenphosphat) zu verwenden — wodurch die Kobaltelektroden in vielen wiederaufladbaren Lithiumzellen vermieden werden – zusammen mit nicht brennbaren Elektrolyten auf der Basis ionischer Flüssigkeiten.