Temperatura de funcionament
La temperatura de funcionament o temperatura de treball d'un dispositiu elèctric o mecànic és la temperatura a la qual pot funcionar correctament. El dispositiu funcionarà eficaçment dins un rang de temperatura específic que varia segons la funció del dispositiu i el context de l'aplicació, i varia des de la temperatura mínima de funcionament fins a la temperatura màxima de funcionament. Fora aquest rang de temperatures de funcionament segures, el dispositiu pot fallar.
És un component de l'enginyeria de fiabilitat.
Rangs
La majoria dels dispositius es fabriquen a diversos graus de temperatura. Les qualificacions àmpliament acceptades[1] són:
| Sector | °C |
|---|---|
| Comercial | 0 fins a 70 |
| Industrial | −40 fins a 85 |
| Militar | −55 fins a 125 |
Tot i això, cada fabricant defineix els seus propis graus de temperatura, per la qual cosa els dissenyadors han de prestar molta atenció a les especificacions reals del full de dades. Per exemple, l'empresa Maxim Integratedutilitza cinc rangs de temperatura per als seus productes:[2]
| Sector | °C |
|---|---|
| Militar total | −55 fins a 125 |
| Automotriu | −40 fins a 125 |
| AEC-Q100 Nivell 2 | −40 fins a 105 |
| Industrial estès | −40 fins a 85 |
| Industrial | −20 fins a 85 |
L'ús d'aquests graus assegura que un dispositiu sigui adequat per aplicar-lo i resistirà les condicions ambientals en què s'utilitza. Els rangs de temperatura de funcionament normals es veuen afectats per diversos factors, com ara la dissipació d'energia del dispositiu.Plantilla:Sfn Aquests factors s'utilitzen per definir una "temperatura llindar" d'un dispositiu, és a dir, la temperatura màxima de funcionament normal i una temperatura màxima de funcionament més enllà de la qual el dispositiu deixarà de funcionar. Entre aquestes dues temperatures, el dispositiu funcionarà a un nivell no pic.Plantilla:Sfn Per exemple, una resistència pot tenir una temperatura llindar de 70 °C i una temperatura màxima de 155 °C, entre els quals presenta un vessament tèrmic.Plantilla:Sfn
Per a dispositius elèctrics, la temperatura de funcionament pot ser la temperatura d'unió (T J ) del semiconductor al dispositiu. La temperatura de la unió es veu afectada per la temperatura ambient i, per als circuits integrats, ve donada per l'equació:Plantilla:Sfn
| Símbol | Nom | Unitat |
|---|---|---|
| Temperatura de la unió (Junction) | °C | |
| Temperatura ambient | °C | |
| Dissipació de potència del circuit integrat | W | |
| Unió a la resistència tèrmica ambiental | °C / W |
Aeroespacial i militar
Els dispositius elèctrics i mecànics utilitzats en aplicacions militars i aeroespacials poden necessitar suportar més variabilitat ambiental, inclòs el rang de temperatura.
Al Departament de Defensa dels Estats Units s'ha definit l'Estàndard Militar dels Estats Units per a tots els productes utilitzats per les Forces Armades dels Estats Units. El disseny ambiental d'un producte i els límits de prova a les condicions que patirà durant la seva vida útil s'especifiquen a MIL-STD-810, l'estàndard de mètodes de prova del Departament de Defensa per a consideracions d'enginyeria ambiental i proves de laboratori.Plantilla:Sfn
La norma MIL-STD-810G especifica que:
...l'estabilització de la temperatura de funcionament s'aconsegueix quan la temperatura de la(es) part(s) funcional(s) de l'element de prova que es considera que té el retard tèrmic més llarg està canviant a una taxa de no més de 2.0 °C (3,6 °F) per hora.Plantilla:Sfn
També especifica procediments per avaluar l'exercici dels materials a càrregues de temperatura extrema.Plantilla:Sfn
Les pales de les turbines de motors militars experimenten dues tensions de deformació significatives durant el servei normal, fluència i fatiga tèrmica.Plantilla:Sfn La vida útil d'un material "depèn en gran manera de la temperatura de funcionament",Plantilla:Sfn i l'anàlisi de la fluència és, per tant, una part important de la validació del disseny. Alguns dels efectes de la fluència i la fatiga tèrmica poden mitigar-se integrant sistemes de refredament en el disseny del dispositiu, reduint la temperatura màxima experimentada pel metall.Plantilla:Sfn
Comercial pel gran públic
Els productes comercials pel gran públic es fabriquen amb requisits menys estrictes, que els d'aplicacions militars i aeroespacials. Per exemple, els microprocessadors produïts per Intel Corporation es fabriquen en tres graus: comercial, industrial i estès.Plantilla:Sfn
Com que alguns dispositius generen calor durant el funcionament, és possible que requereixin gestió tèrmica per garantir que es trobin dins del seu rang de temperatura de funcionament especificat; específicament, que estan funcionant a la temperatura màxima de funcionament del dispositiu o per sota d'aquesta.Plantilla:Sfn El refredament d'un microprocessador muntat en una configuració comercial o minorista típica requereix "un dissipador de calor correctament muntat al processador i un flux d'aire efectiu a través del xassís del sistema".Plantilla:Sfn Aquests sistemes estan dissenyats per protegir el processador de condicions de funcionament inusuals, com "temperatures de l'aire ambient més altes del normal o falla d'un component de gestió tèrmica del sistema (com un ventilador del sistema)",Plantilla:Sfn encara que en "un disseny adequat sistema, aquesta funció mai no s'ha d'activar".Plantilla:Sfn El refredament i altres tècniques de gestió tèrmica poden afectar el rendiment i el nivell de soroll.Plantilla:Sfn És possible que calguin estratègies de mitigació del soroll en aplicacions residencials per garantir que el nivell de soroll no sigui incòmode.
La vida útil i l'eficàcia de la bateria estan afectades per la temperatura de funcionament.Plantilla:Sfn L'eficàcia es determina comparant la vida útil aconseguida per la bateria com un percentatge de la seva vida útil aconseguida a 20 °C davant de la temperatura. La càrrega òhmica i la temperatura de funcionament sovint determinen conjuntament la velocitat de descàrrega duna bateria.Plantilla:Sfn A més, si la temperatura de funcionament esperada per a una bateria primària es desvia del típic en el rang de 10 °C fins a 25 °C, la temperatura de funcionament "sovint influirà en el tipus de bateria seleccionada per a l'aplicació".Plantilla:Sfn S'ha demostrat que la recuperació d'energia d'una bateria de liti parcialment esgotada millora quan "augmenta adequadament la temperatura de funcionament de la bateria".Plantilla:Sfn