Um dos principais fatores que causa a destruição de componentes eletrônicos é a falta de cuidado com a dissipação do calor por eles gerado.
O fenômeno da deriva térmica que acelera a destruição de componentes, quando tudo parece estar perfeito, a partir de uma pequena sobrecarga ou desequilíbrio de funcionamento que dá início a um processo cumulativo, pode comprometer muitos projetos principalmente os de alta potência.
Analisemos o que é a deriva térmica.
Quando estudamos dinâmica (física) aprendemos que existem três maneiras de um corpo estar em equilíbrio estático e que são mostradas na figura 1.
Na primeira condição temos o chamado equilíbrio indiferente (a), pois em qualquer posição do plano em que a esfera seja colocada ela certamente poderá ficar parada, sem problemas, numa condição de equilíbrio estático.
Na segunda, temos uma condição de equilíbrio estável (b) que é conseguida somente na posição mais baixa da calha.
Se tentarmos tirar a esfera desta posição, colocando-a em outra, ela não fica e tende à voltar à posição original.
Finalmente, temos uma condição de equilíbrio instável (c) que é justamente a que vai servir de ponto de partida para o estudo do nosso problema eletrônico.
Nesta condição a esfera fica equilibrada, mas de modo muito crítico na posição indicada.
No entanto, qualquer movimento, por menor que seja, para um lado ou para outro que tenda a deslocar a esfera desta posição, faz com que entrem em ação forças que levam essa esfera a se afastar rapidamente do equilíbrio para nunca mais voltar de maneira espontânea.
Na eletrônica ocorre um fenômeno que pode ser analisado de maneira análoga: a deriva térmica.
Na eletrônica
Todos os componentes eletrônicos são bastante sensíveis à mudanças de temperatura.
Por menores que sejam, as mudanças de temperatura acabam por afetar as características da maioria dos componentes de modo acentuado.
Os transistores, diodos e semicondutores em geral, têm suas correntes de fuga aumentadas sensivelmente quando a temperatura de suas junções aumenta, conforme mostra a figura 2.
Em outras palavras, a resistência no sentido inverso das junções dos semicondutores diminui quando a temperatura aumenta.
No entanto, componentes, como um resistor de fio, possuem coeficientes positivos de temperatura, ou seja, sua resistência aumenta quando a temperatura aumenta.
Mas, podemos falar também dos NTCs (Negative Temperature Coefficient) que são componentes cuja resistência diminui com o aumento da temperatura, conforme mostra a figura 3.
Num circuito eletrônico como, por exemplo, uma etapa de saída de áudio de um radinho transistorizado ou de um amplificador de pequena potência do tipo mostrado na figura 4, as correntes de repouso estão na verdade fixadas de um modo crítico para uma condição de funcionamento no que se considera uma temperatura normal.
Na prática as temperaturas dos componentes deste circuito variam, tanto em função da temperatura dos locais em que eles funcionam como também pelo próprio calor gerado que depende do modo de seu funcionamento.
Quando exigido à plena potência, o transistor tende a gerar mais calor e com isso a aquecer a ponto de mudar as condições de operação ideais do próprio circuito em que ele se encontra.
Da mesma forma que a esfera nas condições de equilíbrio que tomamos como exemplo, o funcionamento de uma etapa deste tipo pode tender a três condições.
Os componentes podem ter características tais e estarem ligados de tal forma que, não importando a temperatura de operação (dentro de uma faixa de valores que não implique em sua destruição) um eventual aumento de uma resistência seja compensado pela alteração de outra de modo a manter constante as correntes e, portanto, a polarização do circuito.
Neste caso, não se alteram as quantidades de calor geradas pelos componentes e o equilíbrio térmico do aparelho pode ser considerado indiferente.
A complexidade da maioria dos circuitos, tanto em função da elevação da temperatura como do número de componentes e da variedade de comportamentos que não são lineares com a temperatura torna esta condição muito difícil de ser obtida.
Veja que seria interessante termos um aparelho cujas características de funcionamento fossem totalmente independentes da temperatura ambiente, pois os problemas que justamente estamos analisando neste artigo não ocorreriam.
No entanto, o que se torna perigoso para a integridade de um aparelho, é que podemos ter uma condição de equilíbrio instável.
Tomemos por exemplo uma etapa de saída de um amplificador de áudio, em push-pull, conforme configuração mostrada na figura 5.
Os componentes que polarizam as bases dos transistores são calculados para um valor que produza uma corrente de repouso que não comprometa os transistores de saída e que ao mesmo tempo, com a aplicação de um sinal de áudio, tenhamos uma amplificação com o rendimento e fidelidade desejados.
Vamos supor, entretanto, que por algum motivo o amplificador seja levado a uma operação num local de temperatura maior do que a prevista como normal. Isso pode ainda ser agravado por uma condição de ventilação deficiente (alguém colocou alguns discos justamente tampando os furos de ventilação do aparelho sobre a caixa, coisa muito normal para este tipo de equipamento).
Com a elevação da temperatura aumenta a corrente de fuga dos transistores que se soma com a corrente de base.
O resultado é que a corrente de coletor é determinada pela corrente de base e com o aumento da primeira, o resultado é um aumento da corrente de coletor em condição de repouso.
O aumento da corrente de coletor tem uma consequência importante: faz com que o transistor gere mais calor, e ele tem que dissipar este calor.
Ora, para dissipar mais calor, o transistor se aquece mais e o resultado da elevação adicional da temperatura não poderia ser outro: aumenta a corrente de fuga que se soma à corrente de base.
O efeito é semelhante ao de uma "bola de neve" aumentando a corrente de base aumenta a de coletor; aumenta a temperatura e novamente a corrente de base e o resultado final não poderia ser outro: a corrente no componente se torna tão intensa e o calor gerado, que a queima é inevitável!
Veja então que bastará um "empurrãozinho" inicial para que o processo vá tomando corpo, com uma "deriva térmica" que faça o circuito fugir das condições ideais de funcionamento levando os componentes mais sensíveis à queima. Para um circuito como este é preciso agregar recursos que impeçam que este fenômeno ocorra.
Um modo simples de se compensar os efeitos da elevação da temperatura que tende a aumentar a corrente nos transistores é conseguido com o uso de um termistor ou NTC, ligado conforme mostra a figura 6.
O termistor ou resistor com coeficiente negativo de temperatura (Negative Temperature Coefficient) é um componente que, conforme o nome diz, diminui de resistência quando a temperatura aumenta.
Ligado entre a base do transistor e o emissor (através do enrolamento do transformador) ele tende a diminuir a tensão de polarização e com isso reduzir a corrente de base quando a temperatura aumenta.
Ora, isso faz com que a corrente total no transistor se mantenha e ele não tenda a aquecer mais.
Ver também:
• Efeito Joule (289)
• NTC (361)
• PTC (362)
