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Conozca la Deriva Térmica (ART817S)

Uno de los principales factores que causa la destrucción de componentes electrónicos es la falta de cuidado con la disipación del calor que generan. El fenómeno de la deriva térmica que acelera la destrucción de los componentes, cuando todo parece estar perfecto, a partir de una pequeña sobrecarga o desequilibrio de funcionamiento que da inicio a un proceso acumulativo, puede comprometer muchos proyectos principalmente los de alta potencia. Como ocurre y cómo evitar los problemas de la Deriva Térmica es el asunto que abordamos ahora artículo.

Cuando estudiamos dinámica (física) aprendemos que hay tres maneras de que un cuerpo esté en equilibrio estático y que se muestran en la figura 1.

 

Figura 1 - Formas de equilibrio de un cuerpo: (a) indiferente, (b) estable y (c) inestable.
Figura 1 - Formas de equilibrio de un cuerpo: (a) indiferente, (b) estable y (c) inestable.

 

En la primera condición tenemos el llamado equilibrio indiferente (a), pues en cualquier posición del plano en que la esfera sea colocada seguramente podrá quedar parada, sin problemas, en una condición de equilibrio estático. En la segunda, tenemos una condición de equilibrio estable (b) que se logra solamente en la posición más baja del canal.

Si intentamos sacar la esfera de esta posición, colocándola en otra, no se queda y tiende a volver a la posición original. Finalmente, tenemos una condición de equilibrio inestable (c) que es justamente la que va a servir de punto de partida para el estudio de nuestro problema electrónico.

En esta condición la esfera queda equilibrada, pero de modo muy crítico en la posición indicada. Sin embargo, cualquier movimiento, por pequeño que sea, para un lado o para otro que tienda a desplazar la esfera de esta posición, hace que entren en acción fuerzas que llevan a esa esfera a alejarse rápidamente del equilibrio para nunca volver de manera espontánea . En la electrónica ocurre un fenómeno que puede ser analizado de manera análoga: la deriva térmica.

 

PASSANDO PARA LA ELECTRÓNICA

Todos los componentes electrónicos son bastante sensibles a los cambios de temperatura. Por menores que sean, los cambios de temperatura acaban por afectar las características de la mayoría de los componentes de modo acentuado. Los transistores, diodos y semiconductores en general, tienen sus corrientes de fuga aumentadas sensiblemente cuando la temperatura de sus junciones aumenta, como muestra la figura 2.

 

Figura 2 - Efecto de la temperatura sobre la corriente de fuga (Iceo) de un transistor.
Figura 2 - Efecto de la temperatura sobre la corriente de fuga (Iceo) de un transistor.

 

En otras palabras, la resistencia en el sentido inverso de las junciones de los semiconductores disminuye cuando la temperatura aumenta. Sin embargo, componentes, como un resistor de hilo, poseen coeficientes positivos de temperatura, o sea, su resistencia aumenta cuando la temperatura aumenta. Pero, podemos hablar también de los NTC (Negative Temperature Coefficient) que son componentes cuya resistencia disminuye con el aumento de la temperatura, como muestra la figura 3.

 

Figura 3 - Respuestas no lineales de algunos dispositivos en función de la temperatura.
Figura 3 - Respuestas no lineales de algunos dispositivos en función de la temperatura.

 

En un circuito electrónico como, por ejemplo, una etapa de salida de audio de un radito transistorizado o de un amplificador de pequeña potencia del tipo que se muestra en la figura 4, las corrientes de reposo se fijan de un modo crítico a una condición de funcionamiento que se considera una temperatura normal.

 

Figura 4 - Corrientes de reposo típicas en una etapa de salida de un amplificador complementario típico de potencia
Figura 4 - Corrientes de reposo típicas en una etapa de salida de un amplificador complementario típico de potencia

 

En la práctica, las temperaturas de los componentes de este circuito varían, tanto en función de la temperatura de los locales en que funcionan como también por el propio calor generado que depende del modo de su funcionamiento. Cuando se requiere a la plena potencia, el transistor tiende a generar más calor y con ello a calentarse a punto de cambiar las condiciones de funcionamiento ideales del propio circuito en que se encuentra.

De la misma forma que la esfera en las condiciones de equilibrio que tomamos como ejemplo, el funcionamiento de una etapa de este tipo puede tender a tres condiciones. Los componentes pueden tener características tales y estar conectados de tal forma que, sin importar la temperatura de operación (dentro de un rango de valores que no implique en su destrucción) un eventual aumento de una resistencia sea compensado por la alteración de otra para mantenerla constante las corrientes y por lo tanto la polarización del circuito.

En este caso, no se alteran las cantidades de calor generadas por los componentes y el equilibrio térmico del aparato puede considerarse indiferente. La complejidad de la mayoría de los circuitos, tanto en función de la elevación de la temperatura como del número de componentes y de la variedad de comportamientos que no son lineales con la temperatura, hace que esta condición sea muy difícil de obtener.

En el caso de que se produzca un cambio en la calidad del producto, Sin embargo, lo que se vuelve peligroso para la integridad de un aparato, es que podemos tener una condición de equilibrio inestable. Tomemos por ejemplo un paso de salida de un amplificador de audio en push-pull, conforme la configuración mostrada en la figura 5.

 

Figura 5 - Paso de salida en push-pull con dos transistores.
Figura 5 - Paso de salida en push-pull con dos transistores.

 

Los componentes que polarizan las bases de los transistores se calculan para un valor que produzca una corriente de reposo que no comprometa los transistores de salida y que al mismo tiempo con la aplicación de una señal de audio tengamos una amplificación con el rendimiento y la fidelidad deseados .

Supongamos, sin embargo, que por algún motivo el amplificador sea llevado a una operación en un lugar de temperatura mayor que la prevista como normal. Esto puede ser agravado por una condición de ventilación deficiente (alguien colocó algunos discos justamente tapando los agujeros de ventilación del aparato sobre la caja, cosa muy normal para este tipo de equipo).

Con la elevación de la temperatura aumenta la corriente de fuga de los transistores que se suma con la corriente de base. El resultado es que la corriente de colector es determinada por la corriente de base y con el aumento de la primera, el resultado es un aumento de la corriente de colector en condición de reposo. El aumento de la corriente de colector tiene una consecuencia importante: hace que el transistor genere más calor, y él tiene que disipar este calor.

Para disipar más calor, el transistor se calienta más y el resultado de la elevación adicional de la temperatura no podría ser otro: aumenta la corriente de fuga que se suma a la corriente de base. El efecto es similar al de una "bola de nieve" aumentando la corriente de base aumenta la de colector; aumenta la temperatura y nuevamente la corriente de base y el resultado final no podría ser otro: la corriente en el componente se vuelve tan intensa y el calor generado, que la quema es inevitable!

En el caso de que el proceso vaya tomando cuerpo, con una "deriva térmica" que haga el circuito huir de las condiciones ideales de funcionamiento llevando los componentes más sensibles a la quema. Para un circuito como este es necesario agregar recursos que impidan que este fenómeno ocurra.

Un modo simple de compensar los efectos de la elevación de la temperatura que tiende a aumentar la corriente en los transistores se logra con el uso de un termistor o NTC conectado como se muestra en la figura 6.

 

Figura 6 - Usando un NTC para estabilizar térmicamente un paso de salida transistorizada.
Figura 6 - Usando un NTC para estabilizar térmicamente un paso de salida transistorizada.

 

El termistor o resistor con coeficiente negativo de temperatura (Negative Temperature Coefficient) es un componente que, según el nombre dice, disminuye de resistencia cuando la temperatura aumenta. Conectado entre la base del transistor y el emisor (a través del devanado del transformador) tiende a disminuir la tensión de polarización y con ello reducir la corriente de base cuando la temperatura aumenta.

Ahora bien, esto hace que la corriente total en el transistor se mantenga y no tiende a calentar más. En los amplificadores de potencias elevadas con transistores conectados en la configuración en simetría complementaria o cuasi-complementaria, tenemos otras dos posibilidades para mantener el equilibrio térmico y con ello evitar la deriva técnica. Estas posibilidades se muestran en los circuitos de la figura 7.

 

Figura 7 - Estabilización de funcionamiento con diodos de silicio.
Figura 7 - Estabilización de funcionamiento con diodos de silicio.

 

Se utilizan diodos comunes de silicio para polarizar las bases de los transistores de tal forma que su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. En realidad, lo que ocurre es una elevación de la corriente en estos componentes cuando la temperatura aumenta y así tenemos un efecto similar a los obtenidos por los NTC.

La gran ventaja de esta configuración es que los diodos intrínsecamente tienden a mantener entre sus terminales la misma tensión base - emisor que necesitamos para polarizar el transistor. Algunos amplificadores de potencias elevadas hacen lo mismo, pero usando un transistor de uso general de baja potencia como sensor, como muestra la figura 8.

 

Figura 8 - Aprovechando las características térmicas de un transistor para estabilizar la temperatura de una etapa de salida.
Figura 8 - Aprovechando las características térmicas de un transistor para estabilizar la temperatura de una etapa de salida.

 

Para "sentir" la temperatura de los transistores de salida, que son justamente los que deben disipar más calor y por eso operan en los límites llevando la deriva térmica a ser un elemento de gran peligro para su integridad, el montaje del sensor (transistor) se hace en el propio disipador de calor, como muestra la figura 9.

 

Figura 9 - Montaje del transistor sensor en el disipador del transistor de salida de potencia.
Figura 9 - Montaje del transistor sensor en el disipador del transistor de salida de potencia.

 

Los transistores usados como sensores en este caso se pegan con epoxi u otro adhesivo fuerte en el disipador de calor de los transistores de salida del amplificador. La operación de este "sistema de seguridad" es simple: cuando aumenta la temperatura y la corriente de colector de los transistores de potencia también tiende a aumentar; también aumenta la conducción del transistor usado como sensor, desviando así la corriente de base que se reduce automáticamente.

En estas condiciones, la corriente de polarización disminuyendo, también se reduce la corriente entre el colector y el emisor y con ello la potencia desarrollada en el transistor, responsable por la elevación de su temperatura. Pero, no es sólo con circuitos transistorizados que este problema puede ocurrir.

En realidad, con los circuitos integrados, el problema puede ser considerado aún más grave, pues todos los componentes están en una misma pastilla de silicio y cualquier calentamiento excesivo de uno de ellos se refleja inmediatamente en las características de los demás.

De esta forma, un cuidado especial se toma en los proyectos, principalmente de los circuitos integrados que trabajan con corrientes elevadas, en el sentido de agregar protecciones internas térmicas que evitan el problema de la deriva, compensando cualquier problema de elevación excesiva de corrientes por la elevación de la temperatura. Los circuitos integrados reguladores de tensión, por ejemplo, poseen configuraciones internas que evitan que la corriente aumente si la temperatura se eleva y en algunos casos ellos hasta hacen el corte total de la corriente de salida cuando esta temperatura sobrepasa un valor considerado peligroso. El 7805, mostrado en la figura 10, es un ejemplo de circuito integrado con estos recursos.

 

Figura 10 - Curva de tensión de salida en función de la temperatura para un circuito integrado 7805.
Figura 10 - Curva de tensión de salida en función de la temperatura para un circuito integrado 7805.

 

Para los amplificadores de audio integrados, también tenemos circuitos internos de protección contra los problemas causados por la deriva térmica. Estos circuitos evitan la quema en caso de una tendencia de aumento de las corrientes que provocaría un calentamiento excesivo del componente. Los microprocesadores, que normalmente trabajan en las condiciones límite de disipación de calor, existen recursos adicionales.

Los sistemas sensores detectan elevaciones anormales de temperatura, apagando los sectores que son responsables de la generación de calor o aún reduciendo la velocidad de operación de modo que menos calor sea generado.

 

CONCLUSIÓN

Si se obtiene una condición aparentemente ideal de funcionamiento de un circuito a temperatura ambiente, no siempre podemos garantizar que el proyecto está listo para su uso en un rango de temperaturas que normalmente encontramos en el día a día. La temperatura ambiente elevada o incluso la temperatura del circuito por encima de la normalidad causada por problemas de ventilación o funcionamiento prolongado pueden ser fuentes de problemas grandes para un circuito.

Un simple "empujón" en el sentido de sacar de los circuitos las condiciones de reposo que mantiene su estabilidad de funcionamiento puede llevar al sistema a salir del control con la elevación de corrientes en puntos peligrosos y eso puede culminar con la quema de componentes. Los aparatos que tengan etapas que operen con potencias elevadas son los más críticos, pero eso no significa que los demás sean inmunes. Si el equilibrio de la polarización de un circuito es crítico, las precauciones deben tomarse en el sentido de obtener las debidas compensaciones. Sin ello, la deriva térmica puede por perder lo mejor de los proyectos.

 

 

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