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 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:

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. 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. 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.

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:

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

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

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.

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

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

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.

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. 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". 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)", encara que en "un disseny adequat sistema, aquesta funció mai no s'ha d'activar". El refredament i altres tècniques de gestió tèrmica poden afectar el rendiment i el nivell de soroll. 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. 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. 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". 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".

Bibliografia

• Benloucif, S.; Guico, M.J.; Reid, K.J.; Wolfe, L.F.; L'Hermite-Baleriaux, M.; Zee, P.C. «Stability of Melatonin and Temperature as Circadian Phase Markers and Their Relation to Sleep Times in Humans». Journal of Biological Rhythms. SAGE Publications, 20, 2, 2005, pàg. 178–188. DOI: 10.1177/0748730404273983. ISSN: 0748-7304. PMID: 15834114.
• Branco, Carlos Moura; Ritchie, Robert O.; Sklenička, Václav. Mechanical behaviour of materials at high temperature. Springer, 1996. ISBN 978-0-7923-4113-0. 
• Crompton, Thomas Roy. «Effects of operating temperature on service life». A: Battery reference book. Newnes, 2000. ISBN 978-0-7506-4625-3. 
• Dougal, Robert A.; Gao, Lijun; Jiang, Zhenhua «Effectiveness analysis of energy reclamation from partially depleted batteries». Journal of Power Sources. Elsevier B.V., 140, 2, 02-02-2005, pàg. 409–415. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.08.037.
• Marx, John. Rosen's emergency medicine: concepts and clinical practice. 7th. Philadelphia, PA: Mosby/Elsevier, 2010. ISBN 978-0-323-05472-0. 
• Turner, Martin J. L.. Rocket and Spacecraft Propulsion: Principles, Practice and New Developments. Springer, 2009. ISBN 978-3-540-69202-7. OCLC 475771458. 
• Vassighi, Arman; Sachdev, Manoj. Thermal and Power Management of Integrated Circuits, 2006. ISBN 9780387257624. 
• «Enhanced temperature device support». Altera Corporation. [Consulta: 27 febrer 2014].
• «Resistors in Analog Circuitry». Analog Devices. [Consulta: 27 febrer 2014].
• «Intel Xeon Processor — Thermal Management». Intel Corporation. [Consulta: 27 gener 2010].
• «Intel Pentium Processor Packing Identification Codes». Intel Corporation, 12-05-2004. [Consulta: 27 gener 2010].
• «MIL-STD-810G: Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests». United States Department of Defense, 31-10-2008. Arxivat de l'original el 2011-09-27.