Alcuni componenti elettronici sviluppano resistenze inferiori o tensioni di attivazione inferiori (per resistenze non lineari) all’aumentare della loro temperatura interna. Se le condizioni del circuito causano un flusso di corrente notevolmente aumentato in queste situazioni, una maggiore dissipazione di potenza può aumentare ulteriormente la temperatura mediante riscaldamento Joule. Un circolo vizioso o un effetto di feedback positivo della fuga termica possono causare guasti, a volte in modo spettacolare (ad esempio esplosione elettrica o incendio). Per prevenire questi pericoli, i sistemi elettronici ben progettati in genere incorporano una protezione di limitazione della corrente, come fusibili termici, interruttori automatici o limitatori di corrente PTC.

Per gestire correnti più grandi, i progettisti di circuiti possono collegare più dispositivi di capacità inferiore (ad esempio transistor, diodi o MOV) in parallelo. Questa tecnica può funzionare bene, ma è suscettibile di un fenomeno chiamato hogging corrente, in cui la corrente non è condivisa equamente su tutti i dispositivi. In genere, un dispositivo può avere una resistenza leggermente inferiore, e quindi attira più corrente, riscaldandolo più dei suoi dispositivi fratelli, causando la sua resistenza a scendere ulteriormente. Il carico elettrico finisce per incanalare in un unico dispositivo, che poi fallisce rapidamente. Pertanto, una serie di dispositivi potrebbe finire per non essere più robusta della sua componente più debole.

L’effetto di monopolizzazione della corrente può essere ridotto abbinando attentamente le caratteristiche di ciascun dispositivo parallelo o utilizzando altre tecniche di progettazione per bilanciare il carico elettrico. Tuttavia, mantenere il bilanciamento del carico in condizioni estreme potrebbe non essere semplice. I dispositivi con un coefficiente di temperatura positivo intrinseco (PTC) di resistenza elettrica sono meno inclini a monopolizzare la corrente, ma la fuga termica può ancora verificarsi a causa di un cattivo affondamento del calore o di altri problemi.

Molti circuiti elettronici contengono disposizioni speciali per prevenire la fuga termica. Questo è più spesso visto nelle disposizioni di polarizzazione a transistor per stadi di uscita ad alta potenza. Tuttavia, quando l’apparecchiatura viene utilizzata al di sopra della temperatura ambiente progettata, in alcuni casi può ancora verificarsi una fuga termica. Ciò causa occasionalmente guasti alle apparecchiature in ambienti caldi o quando le prese d’aria di raffreddamento sono bloccate.

semiconduttorimodifica

Il silicio mostra un profilo particolare, in quanto la sua resistenza elettrica aumenta con la temperatura fino a circa 160 °C, quindi inizia a diminuire e scende ulteriormente quando viene raggiunto il punto di fusione. Ciò può portare a fenomeni di fuga termica all’interno delle regioni interne della giunzione dei semiconduttori; la resistenza diminuisce nelle regioni che si riscaldano al di sopra di questa soglia, consentendo a più corrente di fluire attraverso le regioni surriscaldate, a sua volta causando ancora più riscaldamento rispetto alle regioni circostanti, il che porta ad un ulteriore aumento della temperatura e alla diminuzione della resistenza. Questo porta al fenomeno di affollamento corrente e la formazione di filamenti di corrente (simile a hogging corrente, ma all’interno di un singolo dispositivo), ed è una delle cause alla base di molti guasti di giunzione semiconduttori.

Transistor bipolari a giunzione (BJT)Modifica

La corrente di dispersione aumenta significativamente nei transistor bipolari (in particolare nei transistor bipolari a base di germanio) man mano che aumentano la temperatura. A seconda del design del circuito, questo aumento della corrente di dispersione può aumentare la corrente che scorre attraverso un transistor e quindi la dissipazione di potenza, causando un ulteriore aumento della corrente di dispersione da collettore a emettitore. Questo è spesso visto in uno stadio push–pull di un amplificatore in classe AB. Se i transistor pull-up e pull-down sono prevenuti per avere una distorsione di crossover minima a temperatura ambiente e il polarizzazione non è compensato in temperatura, all’aumentare della temperatura entrambi i transistor saranno sempre più prevenuti, causando un ulteriore aumento di corrente e potenza e alla fine distruggendo uno o entrambi i dispositivi.

Una regola empirica per evitare la fuga termica è di mantenere il punto operativo di un BJT in modo che Vce ≤ 1/2Vcc

Un’altra pratica è quella di montare un transistor di rilevamento a feedback termico o altro dispositivo sul dissipatore di calore, per controllare la tensione di polarizzazione del crossover. Come i transistor di uscita si riscaldano, così fa il transistor di feedback termico. Questo a sua volta fa sì che il transistor di feedback termico si accenda a una tensione leggermente inferiore, riducendo la tensione di polarizzazione del crossover e riducendo così il calore dissipato dai transistor di uscita.

Se più transistor BJT sono collegati in parallelo (che è tipico nelle applicazioni ad alta corrente), può verificarsi un problema di monopolizzazione corrente. Devono essere prese misure speciali per controllare questa caratteristica vulnerabilità dei BJT.

Nei transistor di potenza (che consistono effettivamente in molti piccoli transistor in parallelo), l’hogging di corrente può verificarsi tra diverse parti del transistor stesso, con una parte del transistor che diventa più calda delle altre. Questo è chiamato secondo guasto e può causare la distruzione del transistor anche quando la temperatura media della giunzione sembra essere a un livello sicuro.

MOSFET di alimentazionemodifica

MOSFET di potenza in genere aumentare la loro on-resistenza con la temperatura. In alcune circostanze, la potenza dissipata in questa resistenza provoca un maggiore riscaldamento della giunzione, che aumenta ulteriormente la temperatura di giunzione, in un ciclo di feedback positivo. Di conseguenza, i MOSFET di potenza hanno regioni di funzionamento stabili e instabili. Tuttavia, l’aumento della resistenza all’accensione con la temperatura aiuta a bilanciare la corrente su più MOSFET collegati in parallelo, quindi non si verifica l’hogging corrente. Se un transistor MOSFET produce più calore di quanto il dissipatore possa dissipare, allora la fuga termica può ancora distruggere i transistor. Questo problema può essere alleviato in una certa misura abbassando la resistenza termica tra la matrice del transistor e il dissipatore di calore. Vedi anche Thermal Design Power.

Varistori di ossido di metallo (MOV)Modifica

I varistori di ossido di metallo sviluppano tipicamente una resistenza inferiore mentre si riscaldano. Se collegato direttamente attraverso un bus di alimentazione CA o CC (un uso comune per la protezione contro i transitori elettrici), un MOV che ha sviluppato una tensione di innesco abbassata può scivolare in una catastrofica fuga termica, culminando probabilmente in una piccola esplosione o incendio. Per evitare questa possibilità, la corrente di guasto è in genere limitata da un fusibile termico, un interruttore o un altro dispositivo di limitazione della corrente.

Condensatori al tantalio

I condensatori al tantalio sono, in alcune condizioni, soggetti all’autodistruzione mediante fuga termica. Il condensatore consiste tipicamente di una spugna sinterizzata del tantalio che funge da anodo, da un catodo del biossido di manganese e da uno strato dielettrico del pentossido del tantalio creato sulla superficie della spugna del tantalio anodizzando. Può accadere che lo strato di ossido di tantalio abbia punti deboli che subiscono una rottura dielettrica durante un picco di tensione. La spugna di tantalio entra quindi in contatto diretto con il biossido di manganese e l’aumento della corrente di dispersione provoca un riscaldamento localizzato; di solito, questo determina una reazione chimica endotermica che produce ossido di manganese(III) e rigenera (auto-guarisce) lo strato dielettrico di ossido di tantalio.

Tuttavia, se l’energia dissipata nel punto di guasto è abbastanza alta, può iniziare una reazione esotermica autosufficiente, simile alla reazione termite, con tantalio metallico come combustibile e biossido di manganese come ossidante. Questa reazione indesiderabile distruggerà il condensatore, producendo fumo e possibilmente fiamma.

Pertanto, i condensatori al tantalio possono essere liberamente distribuiti in circuiti a piccolo segnale, ma l’applicazione in circuiti ad alta potenza deve essere attentamente progettata per evitare guasti termici.

Digital logicEdit

La corrente di dispersione dei transistor di commutazione logica aumenta con la temperatura. In rari casi, questo può portare alla fuga termica nei circuiti digitali. Questo non è un problema comune, poiché le correnti di dispersione di solito costituiscono una piccola parte del consumo energetico complessivo, quindi l’aumento di potenza è abbastanza modesto — per un Athlon 64, la dissipazione di potenza aumenta di circa il 10% per ogni 30 gradi Celsius. Per un dispositivo con un TDP di 100 W, affinché si verifichi una fuga termica, il dissipatore di calore dovrebbe avere una resistività termica di oltre 3 K / W (kelvin per watt), che è circa 6 volte peggiore di un dissipatore di calore Athlon 64. (Un magazzino Athlon 64 dissipatore di calore è valutato a 0.34 K / W, anche se la resistenza termica effettiva all’ambiente è leggermente superiore, a causa del confine termico tra processore e dissipatore di calore, aumento delle temperature nel caso e altre resistenze termiche.) Indipendentemente da ciò, un dissipatore di calore inadeguato con una resistenza termica superiore a 0,5-1 K/W comporterebbe la distruzione di un dispositivo da 100 W anche senza effetti di fuga termica.

BatteriesEdit

Se maneggiate in modo improprio, o se fabbricate in modo difettoso, alcune batterie ricaricabili possono sperimentare il runaway termico con conseguente surriscaldamento. Le celle sigillate a volte esplodono violentemente se le prese d’aria di sicurezza sono sopraffatte o non funzionali. Particolarmente inclini alla fuga termica sono le batterie agli ioni di litio, più marcatamente sotto forma di batteria ai polimeri di litio. Rapporti di cellulari che esplodono occasionalmente appaiono sui giornali. Nel 2006, le batterie di Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell e altri produttori di notebook sono state richiamate a causa di incendi ed esplosioni. La Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration (PHMSA) degli Stati Uniti Dipartimento dei Trasporti ha stabilito regolamenti per quanto riguarda il trasporto di alcuni tipi di batterie su aerei a causa della loro instabilità in determinate situazioni. Questa azione è stata parzialmente ispirata da un incendio nella stiva di carico su un aereo UPS.Una delle possibili soluzioni consiste nell’utilizzo di materiali più sicuri e meno reattivi di anodo (titanati di litio) e catodo (fosfato di ferro di litio) — evitando così gli elettrodi di cobalto in molte celle ricaricabili al litio — insieme a elettroliti non infiammabili a base di liquidi ionici.