Algunos componentes electrónicos desarrollan resistencias más bajas o tensiones de activación más bajas (para resistencias no lineales) a medida que aumenta su temperatura interna. Si las condiciones del circuito causan un aumento marcado del flujo de corriente en estas situaciones, el aumento de la disipación de potencia puede aumentar aún más la temperatura mediante el calentamiento de Julios. Un círculo vicioso o un efecto de retroalimentación positiva de la fuga térmica puede causar fallas, a veces de manera espectacular (por ejemplo, explosión eléctrica o incendio). Para evitar estos peligros, los sistemas electrónicos bien diseñados generalmente incorporan protección limitadora 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 que la corriente no se comparte por igual en todos los dispositivos. Por lo general, un dispositivo puede tener una resistencia ligeramente menor, y por lo tanto consume más corriente, calentándolo 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, un conjunto de dispositivos puede terminar no más robusto que su componente más débil.

El efecto de acaparamiento de corriente se puede reducir ajustando cuidadosamente las características de cada dispositivo en paralelo o utilizando otras técnicas de diseño para equilibrar la carga eléctrica. Sin embargo, mantener el equilibrio de carga en condiciones extremas puede no ser sencillo. Los dispositivos con un coeficiente de temperatura positivo intrínseco (PTC) de resistencia eléctrica son menos propensos a acaparar la corriente, pero el escape térmico aún puede ocurrir debido a un mal hundimiento del calor u otros problemas.

Muchos circuitos electrónicos contienen disposiciones especiales para evitar fugas térmicas. Esto se ve con mayor frecuencia en arreglos de sesgo de transistores para etapas de salida de alta potencia. Sin embargo, cuando el equipo se utiliza por encima de la temperatura ambiente diseñada, en algunos casos todavía se puede producir un escape térmico. Esto a veces causa fallas en los equipos en entornos calurosos o cuando las rejillas de ventilación de refrigeración de aire están bloqueadas.

Semiconductoreseditar

El silicio muestra un perfil peculiar, ya que su resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 160 °C, luego comienza a disminuir y cae aún más cuando se alcanza el punto de fusión. Esto puede conducir a fenómenos de fuga térmica dentro de las regiones internas de la unión del semiconductor; 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 causa más calentamiento 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 apiñamiento de corriente y formación de filamentos de corriente (similar al acaparamiento de corriente, pero dentro de un solo dispositivo), y es una de las causas subyacentes de muchas fallas de unión de semiconductores.

Transistores de unión bipolares (BJT)Editar

La corriente de fuga aumenta significativamente en transistores bipolares (especialmente transistores bipolares a base de germanio) a medida que aumentan de 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 potencia, causando un aumento adicional en la corriente de fuga de colector a emisor. Esto se ve con frecuencia en una etapa push-pull de un amplificador de clase AB. Si los transistores pull-up y pull-down están sesgados para tener una distorsión de cruce mínima a temperatura ambiente, y el sesgo no está compensado por la temperatura, a medida que la temperatura aumenta, ambos transistores estarán cada vez más sesgados, causando que la corriente y la potencia aumenten aún más y, finalmente, destruyan uno o ambos dispositivos.

Una regla general para evitar el escape térmico es mantener el punto de funcionamiento de un BJT para que Vce ≤ 1/2Vcc

Otra práctica es montar un transistor de detección 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 varios transistores BJT están conectados en paralelo (lo que es típico en aplicaciones de alta corriente), puede ocurrir un problema de acaparamiento de corriente. Deben adoptarse medidas especiales para controlar esta vulnerabilidad característica de los BJT.

En los transistores de potencia (que consisten efectivamente en muchos transistores pequeños en paralelo), el acaparamiento de corriente puede ocurrir entre diferentes partes del transistor en sí, con una parte del transistor cada vez más caliente que las otras. Esto se denomina segunda ruptura, y puede resultar en la destrucción del transistor incluso cuando la temperatura promedio de la unión parece estar en un nivel seguro.

MOSFETs de potencia Edit

Los MOSFETs de potencia suelen aumentar su resistencia al encendido con la temperatura. En algunas circunstancias, la potencia disipada en esta resistencia causa más calentamiento de la unión, lo que aumenta aún más la temperatura de la unión, en un bucle de retroalimentación positiva. Como consecuencia, los MOSFET de potencia tienen regiones de operación estables e inestables. Sin embargo, el aumento de la resistencia a la temperatura ayuda a equilibrar la corriente a través de múltiples MOSFET conectados en paralelo, por lo que no se produce acaparamiento de corriente. Si un transistor MOSFET produce más calor del que el disipador térmico puede disipar, el escape térmico 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. Véase también Potencia de Diseño térmico.

Varistores de óxido metálico (MOV)Editar

Los varistores de óxido metálico suelen desarrollar una menor resistencia 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), un MOV que ha desarrollado un voltaje de disparo bajo puede deslizarse hacia un escape térmico catastrófico, posiblemente culminando en una pequeña explosión o incendio. Para evitar esta posibilidad, la corriente de falla suele estar limitada por un fusible térmico, un disyuntor u otro dispositivo limitador de corriente.

Condensadores de tantalioedItar

Los condensadores de tantalio son, en algunas condiciones, propensos a la autodestrucción por fuga térmica. El condensador típicamente consiste en una esponja de tántalo sinterizado que actúa como ánodo, un cátodo de dióxido de manganeso y una capa dieléctrica de pentóxido de tántalo creada en la superficie de la esponja de tántalo mediante anodizado. 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 tántalo entra en contacto directo con el dióxido de manganeso, y el aumento de la corriente de fuga causa un calentamiento localizado; por lo general, esto impulsa una reacción química endotérmica que produce óxido de manganeso(III) y regenera (auto-cura) la capa dieléctrica de óxido de tántalo.

Sin embargo, si la energía disipada en el punto de falla es lo suficientemente alta, puede comenzar una reacción exotérmica autosostenible, similar a la reacción de termita, con tántalo metálico como combustible y dióxido de manganeso como oxidante. Esta reacción indeseable destruirá el condensador, produciendo humo y posiblemente llamas.

Por lo tanto, los condensadores de tantalio se pueden desplegar libremente en circuitos de señal pequeña, pero la aplicación en circuitos de alta potencia debe diseñarse cuidadosamente para evitar fallas de fuga térmica.

Logiceditar digitaleditar

La corriente de fuga de los transistores de conmutación lógica aumenta con la temperatura. En raras ocasiones, esto puede conducir a un escape térmico en los circuitos digitales. Este no es un problema común, ya que las corrientes de fuga generalmente representan una pequeña porción del consumo total de energía, por lo que el aumento de energía es bastante modesto: para un Athlon 64, la disipación de energía aumenta en aproximadamente un 10% por cada 30 grados Celsius. Para un dispositivo con un TDP de 100 W, para que se produzca una fuga térmica, el disipador de calor tendría que tener una resistividad térmica de más de 3 K/W (kelvin por vatio), que es aproximadamente 6 veces peor que un disipador de calor Athlon 64 de stock. (Un disipador de calor Athlon 64 está clasificado en 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 térmico, el aumento de las temperaturas en la carcasa y otras resistencias térmicas.) En cualquier caso, 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 de fuga térmica.

Bateríaseditar

Cuando se manipulan incorrectamente, o si se fabrican de manera defectuosa, algunas baterías recargables pueden experimentar un escape térmico que resulta en sobrecalentamiento. Las celdas selladas a veces explotan violentamente si los respiraderos de seguridad están desbordados o no funcionan. Especialmente propensas a la fuga térmica son las baterías de iones de litio, sobre todo en forma de batería de polímero de litio. Los informes de teléfonos celulares que explotan ocasionalmente aparecen en los periódicos. En 2006, las baterías de Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell y otros fabricantes de portátiles fueron retiradas del mercado debido a incendios y explosiones. El Pipeline and Hazardous materials Safety Administration (PHMSA) de los estados UNIDOS El Departamento de Transporte 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 un muelle de carga en un avión de UPS.Una de las soluciones posibles es utilizar materiales de ánodo (titanatos de litio) y cátodo (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.