desbocado térmico

El silicio presenta un perfil peculiar: su resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 160  °C, luego comienza a disminuir y cae aún más al alcanzar el punto de fusión. Esto puede provocar fenómenos de fuga térmica en las regiones internas de la unión del semiconductor ; la resistencia disminuye en las regiones que se calientan por encima de este umbral, permitiendo que fluya más corriente a través de las regiones sobrecalentadas, lo que a su vez causa un calentamiento aún mayor en comparación con las regiones circundantes, lo que conlleva un mayor aumento de la temperatura y una disminución de la resistencia. Esto da lugar al fenómeno de concentración de corriente y a la formación de filamentos de corriente (similar al acaparamiento de corriente, pero dentro de un mismo dispositivo), y es una de las causas subyacentes de muchas fallas en las uniones de semiconductores .

La corriente de fuga aumenta significativamente en los transistores bipolares (especialmente en los de germanio ) al aumentar su temperatura. Dependiendo del diseño del circuito, este aumento de la corriente de fuga puede incrementar la corriente que fluye a través del transistor y, por lo tanto, la disipación de potencia , lo que provoca un mayor aumento de la corriente de fuga entre colector y emisor. Esto se observa con frecuencia en la etapa push - pull de un amplificador de clase AB . Si los transistores pull-up y pull-down están polarizados para tener una distorsión de cruce mínima a temperatura ambiente , y la polarización no está compensada térmicamente, entonces, a medida que la temperatura aumenta, ambos transistores se polarizarán cada vez más, lo que provocará un mayor aumento de la corriente y la potencia, y eventualmente destruirá uno o ambos dispositivos.

Una regla general para evitar el desbordamiento térmico es mantener el punto de operación de un BJT de manera que V _ce ≤ 1/2  V _cc .

Otra práctica consiste en montar un transistor de retroalimentación térmica u otro dispositivo en el disipador de calor para controlar la tensión 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, provoca que el transistor de retroalimentación térmica se active a una tensión ligeramente inferior, reduciendo así la tensión de polarización de cruce y, por consiguiente, el calor disipado por los transistores de salida.

Si se conectan varios transistores BJT en paralelo (lo cual es habitual en aplicaciones de alta corriente), puede producirse un problema de consumo excesivo de corriente. Es necesario tomar medidas especiales para controlar esta vulnerabilidad característica de los BJT.

En los transistores de potencia (que en realidad consisten en muchos transistores pequeños conectados en paralelo), puede producirse una concentración excesiva de corriente entre diferentes partes del transistor, donde una parte se calienta más que las demás. Esto se denomina ruptura secundaria y puede provocar la destrucción del transistor incluso cuando la temperatura media de la unión parece estar en un nivel seguro.

Los MOSFET de potencia suelen aumentar su resistencia de encendido con la temperatura. En ciertas circunstancias, la potencia disipada en esta resistencia provoca un mayor calentamiento de la unión, lo que incrementa aún más la temperatura de la unión , en un ciclo de retroalimentación positiva . Como consecuencia, los MOSFET de potencia presentan regiones de funcionamiento estables e inestables. ^{[ 5 ]} Sin embargo, el aumento de la resistencia de encendido con la temperatura ayuda a equilibrar la corriente entre varios MOSFET conectados en paralelo, evitando así la saturación de corriente. Si un transistor MOSFET genera más calor del que el disipador puede disipar, el desbordamiento térmico puede destruirlo. Este problema puede mitigarse en cierta medida reduciendo la resistencia térmica entre el chip del transistor y el disipador. Véase también Potencia de diseño térmico .

Los varistores de óxido metálico suelen desarrollar una menor resistencia a medida que se calientan. Si se conectan directamente a través de una barra de alimentación de CA o CC (un uso común para la protección contra picos de tensión ), un MOV que ha desarrollado una tensión de disparo reducida puede entrar en un desbordamiento térmico catastrófico, que podría culminar en una pequeña explosión o incendio. ^{[ 6 ]} Para evitar esta posibilidad, la corriente de falla generalmente se limita mediante un fusible térmico, un disyuntor u otro dispositivo limitador de corriente.

Tantalum capacitors are, under some conditions, prone to self-destruction by thermal runaway. The capacitor typically consists of a sinteredtantalum sponge acting as the anode, a manganese dioxidecathode, and a dielectric layer of tantalum pentoxide created on the tantalum sponge surface by anodizing. It may happen that the tantalum oxide layer has weak spots that undergo dielectric breakdown during a voltage spike. The tantalum sponge then comes into direct contact with the manganese dioxide, and increased leakage current causes localized heating; usually, this drives an endothermic chemical reaction that produces manganese(III) oxide and regenerates (self-heals) the tantalum oxide dielectric layer.

However, if the energy dissipated at the failure point is high enough, a self-sustaining exothermic reaction can start, similar to the thermite reaction, with metallic tantalum as fuel and manganese dioxide as oxidizer. This undesirable reaction will destroy the capacitor, producing smoke and possibly flame.^[7]

Therefore, tantalum capacitors can be freely deployed in small-signal circuits, but application in high-power circuits must be carefully designed to avoid thermal runaway failures.

The leakage current of logic switching transistors increases with temperature. In rare instances, this may lead to thermal runaway in digital circuits. This is not a common problem, since leakage currents usually make up a small portion of overall power consumption, so the increase in power is fairly modest — for an Athlon 64, the power dissipation increases by about 10% for every 30 degrees Celsius.^[8] For a device with a TDP of 100 W, for thermal runaway to occur, the heat sink would have to have a thermal resistivity of over 3 K/W (kelvins per watt), which is about 6 times worse than a stock Athlon 64 heat sink. (A stock Athlon 64 heat sink is rated at 0.34 K/W, although the actual thermal resistance to the environment is somewhat higher, due to the thermal boundary between processor and heat sink, rising temperatures in the case, and other thermal resistances.) Regardless, an inadequate heat sink with a thermal resistance of over 0.5 to 1 K/W would result in the destruction of a 100 W device even without thermal runaway effects.

Cuando se manipulan incorrectamente, se fabrican defectuosamente o se dañan, algunas baterías recargables pueden experimentar un descontrol térmico que resulta en sobrecalentamiento. Las celdas selladas a veces explotan violentamente si las ventilaciones de seguridad se ven sobrecargadas o no funcionan. ^{[ 9 ]} Las baterías de iones de litio son especialmente propensas al descontrol térmico , sobre todo en forma de batería de polímero de litio . Las baterías de iones de litio se encuentran a menudo en la electrónica de consumo y los vehículos cotidianos. Ocasionalmente aparecen informes de teléfonos celulares que explotan 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. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} La Administración de Seguridad de Materiales Peligrosos y Oleoductos (PHMSA) del Departamento de Transporte de los Estados Unidos ha establecido regulaciones con respecto al transporte de ciertos tipos de baterías en aviones debido a su inestabilidad en ciertas situaciones. Esta acción fue inspirada en parte por un incendio en la bodega de carga de un avión de FedEx . ^{[ 14 ]} Una de las posibles soluciones consiste en utilizar materiales de ánodo (titanatos de litio) y cátodo ( fosfato de hierro y litio - LFP) 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.

Cuando las estrellas en el rango de 0,8 a 2,0 masas solares agotan el hidrógeno en sus núcleos y se convierten en gigantes rojas , el helio que se acumula en sus núcleos alcanza la degeneración antes de encenderse. Cuando el núcleo degenerado alcanza una masa crítica de aproximadamente 0,45 masas solares, la fusión de helio se enciende y se dispara de forma desbocada, llamada destello de helio , aumentando brevemente la producción de energía de la estrella a una tasa 100 mil millones de veces mayor que la normal. Alrededor del 6% del núcleo se convierte rápidamente en carbono. ^{[ 15 ]} Si bien la liberación es suficiente para convertir el núcleo de nuevo en plasma normal después de unos segundos, no perturba la estrella, ^{[ 16 ] [ 17 ]} ni cambia inmediatamente su luminosidad. La estrella luego se contrae, abandonando la fase de gigante roja y continuando su evolución hacia una fase estable de combustión de helio .

Una nova resulta de la fusión descontrolada de hidrógeno (a través del ciclo CNO ) en la capa exterior de una estrella enana blanca de carbono-oxígeno. Si una enana blanca tiene una estrella compañera de la que puede acrecentar gas , el material se acumulará en una capa superficial que se degenera debido a la intensa gravedad de la enana. En las condiciones adecuadas, una capa de hidrógeno suficientemente gruesa se calienta finalmente a una temperatura de 20 millones de K, lo que desencadena la fusión descontrolada. La capa superficial es expulsada de la enana blanca, aumentando su luminosidad en un factor del orden de 50 000. Sin embargo, la enana blanca y su compañera permanecen intactas, por lo que el proceso puede repetirse. ^{[ 18 ]} Un tipo de nova mucho más raro puede ocurrir cuando la capa exterior que se enciende está compuesta de helio. ^{[ 19 ]}

De forma análoga al proceso que conduce a las novas, la materia degenerada también puede acumularse en la superficie de una estrella de neutrones que está acrecentando gas de una compañera cercana. Si se acumula una capa suficientemente gruesa de hidrógeno, la ignición de la fusión de hidrógeno desbocada puede entonces conducir a un estallido de rayos X. Al igual que con las novas, tales estallidos tienden a repetirse y también pueden ser desencadenados por la fusión de helio o incluso de carbono. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Se ha propuesto que, en el caso de los "superestallidos", la ruptura desbocada de núcleos pesados ​​acumulados en núcleos del grupo del hierro mediante fotodisociación en lugar de fusión nuclear podría contribuir a la mayor parte de la energía del estallido. ^{[ 21 ]}

Una supernova de tipo Ia resulta de la fusión descontrolada de carbono en el núcleo de una estrella enana blanca de carbono-oxígeno. Si una enana blanca, compuesta casi en su totalidad de materia degenerada, puede ganar masa de una compañera, el aumento de temperatura y densidad del material en su núcleo encenderá la fusión de carbono si la masa de la estrella se acerca al límite de Chandrasekhar . Esto conduce a una explosión que desintegra completamente la estrella. La luminosidad aumenta en un factor de más de 5 mil millones. Una forma de ganar la masa adicional sería mediante la acreción de gas de una estrella gigante (o incluso de una compañera de la secuencia principal ). ^{[ 22 ]} Un segundo mecanismo, aparentemente más común, para generar el mismo tipo de explosión es la fusión de dos enanas blancas . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Se cree que una supernova de inestabilidad de pares resulta de la fusión descontrolada de oxígeno en el núcleo de una estrella masiva , de 130 a 250 masas solares, de metalicidad baja a moderada. ^{[ 24 ]} Según la teoría, en una estrella de este tipo, se acumula un núcleo grande pero de densidad relativamente baja de oxígeno que no se fusiona, cuyo peso es sostenido por la presión de los rayos gamma producidos por la temperatura extrema. A medida que el núcleo se calienta aún más, los rayos gamma finalmente comienzan a pasar el umbral de energía necesario para la desintegración inducida por colisión en pares electrón - positrón , un proceso llamado producción de pares . Esto causa una caída en la presión dentro del núcleo, lo que hace que se contraiga y se caliente aún más, causando más producción de pares, una mayor caída de presión, y así sucesivamente. El núcleo comienza a sufrir un colapso gravitacional . En algún momento, esto enciende la fusión descontrolada de oxígeno, liberando suficiente energía para aniquilar la estrella. Estas explosiones son raras, tal vez alrededor de una por cada 100 000 supernovas.

No todas las supernovas se originan por una fusión nuclear descontrolada. Las supernovas de tipo Ib, Ic y II también experimentan un colapso del núcleo, pero debido a que han agotado su reserva de núcleos atómicos capaces de experimentar reacciones de fusión exotérmicas, colapsan hasta convertirse en estrellas de neutrones o, en los casos de mayor masa, en agujeros negros estelares , impulsando explosiones mediante la liberación de energía potencial gravitatoria (principalmente a través de la liberación de neutrinos ). Es la ausencia de reacciones de fusión descontroladas lo que permite que dichas supernovas dejen tras de sí remanentes estelares compactos .