Herramienta basada en optimización para reducir la temperatura superficial en circuitos electrónicos con transistores BJTs y MOSFETs en escenarios peligrosos

Abstract

El uso inadecuado de equipos electrónicos en áreas con alto riesgo de explosión es una de las principales causas de muertes y daños materiales en la industria. El objetivo de este trabajo es establecer un punto de operación óptimo que mejore el desempeño de circuitos electrónicos utilizando transistores de tecnología BJT o MOSFET que alimentan una carga en escenarios peligrosos. Para ello se aplica optimización convexa no lineal a la caracterización del comportamiento térmico de MOSFETs y BJTs en aplicaciones con alto riesgo de explosión. En este problema se utiliza como variable de decisión la corriente en el transistor y la temperatura límite en la superficie de los elementos eléctricos que genera la autoignición de gases, polvos, fibras combustibles u otros productos altamente inflamables almacenados en recintos clasificados como peligrosos. Esta variable de control permite trabajar en diferentes categorías de temperatura, considerando la clasificación de los niveles de riesgo térmico estandarizados por la industria de seguridad contra incendios. Además, se consideraron transistores que mantienen como restricción máxima la corriente nominal dada por el fabricante. Con esto es posible obtener un punto de trabajo adecuado que permita determinar los valores óptimos de las ecuaciones de comportamiento térmico para modelos específicos de MOSFETs y BJTs comúnmente utilizados en aplicaciones industriales. En el análisis matemático se utiliza el método Karush Kuhn Tucker (KKT) para resolver el problema propuesto y obtener las soluciones óptimas para los diferentes escenarios considerados. Con base en estas soluciones matemáticas, se propone un algoritmo para resolver el problema general de minimizar la temperatura superficial en transistores de manera rápida y eficiente mediante el control de la corriente en los transistores. Con este análisis de optimización es posible determinar un punto de operación térmica segura para el dispositivo que se encuentra operando en una instalación clasificada como peligrosa y al mismo tiempo manteniendo los niveles de tensión y corriente requeridos para la carga o señal que se necesita alimentar. o amplificado respectivamente.