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:

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]

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.^[3] 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.^[4] 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.^[3]

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:^[5]

${\displaystyle T_{J}=T_{a}+P_{D}\times R_{ja}}$

Símbol	Nom	Unitat
${\displaystyle T_{J}}$	Temperatura de la unió (Junction)	°C
${\displaystyle T_{a}}$	Temperatura ambient	°C
${\displaystyle P_{D}}$	Dissipació de potència del circuit integrat	W
${\displaystyle R_{ja}}$	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.^[6]

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.^[6]

També especifica procediments per avaluar l'exercici dels materials a càrregues de temperatura extrema.^[7]

Les pales de les turbines de motors militars experimenten dues tensions de deformació significatives durant el servei normal, fluència i fatiga tèrmica.^[8] La vida útil d'un material "depèn en gran manera de la temperatura de funcionament",^[8] 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.^[8]

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.^[9]

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.^[10] 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".^[10] 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)",^[10] encara que en "un disseny adequat sistema, aquesta funció mai no s'ha d'activar".^[10] El refredament i altres tècniques de gestió tèrmica poden afectar el rendiment i el nivell de soroll.^[10] És possible que es requereixin 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.^[11] 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.^[12] 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".^[13] 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".^[14]

Referències

Bibliografia