Temperatura de funcionamiento
Rango de temperatura en el que se espera que el equipo funcione de manera confiable

Una temperatura de funcionamiento es el rango de temperatura permitido del entorno ambiental local en el que funciona un dispositivo eléctrico o mecánico. El dispositivo funcionará de manera eficaz dentro de un rango de temperatura específico que varía según la función del dispositivo y el contexto de aplicación, y va desde la temperatura de funcionamiento mínima hasta la temperatura de funcionamiento máxima (o temperatura de funcionamiento pico ). Fuera de este rango de temperaturas de funcionamiento seguras, el dispositivo puede fallar.

Es un componente de la ingeniería de confiabilidad .

De manera similar, los sistemas biológicos tienen un rango de temperatura viable, al que se podría denominar "temperatura de operación".

Rangos

La mayoría de los dispositivos semiconductores se fabrican en varios grados de temperatura. Los grados más aceptados [1] son:

  • Comercial: 0 °C a 70 °C (32 a 158 °F)
  • Industrial: −40 °C a 85 °C (−40 a 185 °F)
  • Militar: −55 °C a 125 °C (−67 a 257 °F)

Sin embargo, cada fabricante define sus propios grados de temperatura, por lo que los diseñadores deben prestar atención a las especificaciones de las hojas de datos . Por ejemplo, Maxim Integrated utiliza cinco grados de temperatura para sus productos: [2]

  • Militar completo: −55 °C a 125 °C (−67 a 257 °F)
  • Automotriz: −25 °C a 125 °C (−13 a 257 °F)
  • AEC-Q100 Nivel 2: −40 °C a 105 °C (−40 a 221 °F)
  • Industrial extendido: −40 °C a 85 °C (−40 a 185 °F)
  • Industrial: −20 °C a 85 °C (−4 a 185 °F)

El uso de tales grados garantiza que un dispositivo sea adecuado para su aplicación y que resista las condiciones ambientales en las que se utiliza. Los rangos de temperatura de funcionamiento normales se ven afectados por varios factores, como la disipación de potencia del dispositivo. [3] Estos factores se utilizan para definir una "temperatura umbral" de un dispositivo, es decir, su temperatura de funcionamiento normal máxima y una temperatura de funcionamiento máxima más allá de la cual el dispositivo ya no funcionará. Entre estas dos temperaturas, el dispositivo funcionará a un nivel no pico. [4] Por ejemplo, una resistencia puede tener una temperatura umbral de 70 °C (158 °F) y una temperatura máxima de 155 °C (311 °F), entre las cuales exhibe una reducción térmica . [3]

En el caso de los dispositivos eléctricos, la temperatura de funcionamiento puede ser la temperatura de unión (T J ) del semiconductor en el dispositivo. La temperatura de unión se ve afectada por la temperatura ambiente y, en el caso de los circuitos integrados , se expresa mediante la ecuación: [5]

yo Yo = yo a + PAG D × R yo a {\displaystyle T_{J}=T_{a}+P_{D}\times R_{ja}}

donde T J es la temperatura de la unión en °C, T a es la temperatura ambiente en °C, P D es la disipación de potencia del circuito integrado en W , y R ja es la resistencia térmica de la unión al ambiente en °C/W.

Aeroespacial y militar

Los dispositivos eléctricos y mecánicos utilizados en aplicaciones militares y aeroespaciales pueden necesitar soportar una mayor variabilidad ambiental, incluido el rango de temperatura.

El Departamento de Defensa de los Estados Unidos ha definido el Estándar Militar de los Estados Unidos para todos los productos utilizados por las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos. El diseño ambiental de un producto y los límites de prueba para las condiciones a las que se someterá durante su vida útil se especifican en MIL-STD-810 , el Estándar de Método de Prueba del Departamento de Defensa para Consideraciones de Ingeniería Ambiental y Pruebas de Laboratorio . [6]

La norma MIL-STD-810G especifica que "la estabilización de la temperatura de funcionamiento se alcanza cuando la temperatura de las partes funcionales del elemento de prueba que se considera que tienen el mayor retraso térmico cambia a una velocidad de no más de 2,0 °C (3,6 °F) por hora". [6] También especifica procedimientos para evaluar el rendimiento de los materiales ante cargas de temperatura extremas . [7]

Las palas de turbinas de motores militares experimentan dos tensiones de deformación significativas durante el servicio normal: fluencia y fatiga térmica . [8] La vida útil de fluencia de un material "depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento", [8] y, por lo tanto, el análisis de fluencia es una parte importante de la validación del diseño. Algunos de los efectos de la fluencia y la fatiga térmica se pueden mitigar integrando sistemas de refrigeración en el diseño del dispositivo, lo que reduce la temperatura máxima que experimenta el metal. [8]

Comercial y minorista

Los productos comerciales y minoristas se fabrican con requisitos menos estrictos que los destinados a aplicaciones militares y aeroespaciales. Por ejemplo, los microprocesadores producidos por Intel Corporation se fabrican en tres grados: comercial, industrial y extendido. [9]

Debido a que algunos dispositivos generan calor durante su funcionamiento, pueden requerir una gestión térmica para garantizar que se encuentren dentro de su rango de temperatura de funcionamiento especificado; específicamente, que estén funcionando a la temperatura de funcionamiento máxima del dispositivo o por debajo de ella. [10] Para enfriar un microprocesador montado en una configuración comercial o minorista típica se requiere "un disipador de calor correctamente montado en el procesador y un flujo de aire efectivo a través del chasis del sistema". [10] Los sistemas están diseñados para proteger al procesador de condiciones de funcionamiento inusuales, como "temperaturas del aire ambiente superiores a las normales o fallo de un componente de gestión térmica del sistema (como un ventilador del sistema)", [10] aunque en "un sistema correctamente diseñado, esta función nunca debería activarse". [10] La refrigeración y otras técnicas de gestión térmica pueden afectar al rendimiento y al nivel de ruido. [10] Es posible que se requieran estrategias de mitigación del ruido en aplicaciones residenciales para garantizar que el nivel de ruido no resulte incómodo.

La vida útil y la eficacia de la batería se ven afectadas por la temperatura de funcionamiento. [11] La eficacia se determina comparando la vida útil alcanzada por la batería como un porcentaje de su vida útil lograda a 20 °C (68 °F) en comparación con la temperatura. La carga óhmica y la temperatura de funcionamiento a menudo determinan conjuntamente la tasa de descarga de una batería. [12] Además, si la temperatura de funcionamiento esperada para una batería primaria se desvía del rango típico de 10 °C a 25 °C (50 a 77 °F), entonces la temperatura de funcionamiento "a menudo tendrá una influencia en el tipo de batería seleccionado para la aplicación". [13] Se ha demostrado que la recuperación de energía de una batería de dióxido de azufre y litio parcialmente agotada mejora cuando "se aumenta adecuadamente la temperatura de funcionamiento de la batería". [14]

Biología

Los mamíferos intentan mantener una temperatura corporal confortable en diversas condiciones mediante la termorregulación , que forma parte de la homeostasis de los mamíferos . La temperatura normal más baja de un mamífero, la temperatura corporal basal , se alcanza durante el sueño. En las mujeres, se ve afectada por la ovulación, lo que provoca un patrón bifásico que puede utilizarse como un componente del conocimiento de la fertilidad .

En los seres humanos, el hipotálamo regula el metabolismo y, por lo tanto, la tasa metabólica basal . Entre sus funciones se encuentra la regulación de la temperatura corporal. La temperatura corporal central también es uno de los marcadores de fase clásicos para medir el ritmo circadiano de un individuo . [15]

Los cambios en la temperatura corporal normal pueden provocar malestar. El cambio más común es la fiebre , una elevación temporal del punto de ajuste termorregulador del cuerpo, generalmente de alrededor de 1 a 2 °C (1,8 a 3,6 °F). La hipertermia es una afección aguda causada por la absorción de más calor del que puede disipar el cuerpo, mientras que la hipotermia es una afección en la que la temperatura central del cuerpo cae por debajo de la necesaria para el metabolismo normal, y que es causada por la incapacidad del cuerpo para reponer el calor que se está perdiendo al medio ambiente. [16]

Notas

  1. ^ https://www.cactus-tech.com/wp-content/uploads/2019/03/Commercial-and-Industrial-Grade-Products.pdf [ URL básica PDF ]
  2. ^ "Semiconductores aeroespaciales y de defensa | Maxim Integrated".
  3. ^ de Dispositivos analógicos.
  4. ^ Dispositivos analógicos, Disipación de potencia.
  5. ^ Vassighi y Sachdev 2006, pág. 32.
  6. ^ ab Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
  7. ^ Departamento de Defensa de los Estados Unidos, sección 2.1.1.
  8. ^ abc Branco, Ritchie y Sklenička 1996.
  9. ^ Códigos de identificación de empaquetado de procesadores Pentium El empaquetado de Intel indica el rango de temperatura de funcionamiento de los procesadores mediante una calificación: "Q" (calidad comercial), "I" (calidad industrial) y "L" o "T" (calidad extendida). También tiene una calificación automotriz "A".
  10. ^ abcde Corporación Intel.
  11. ^ Crompton 2000.
  12. ^ Crompton 2000, pág. figura 30.33.
  13. ^ Crompton 2000, pág. 2/5, sección 2.1.
  14. ^ Dougal, Gao y Jiang 2005.
  15. ^ Benloucif y otros. 2005.
  16. ^ Marx 2010, pág. 1870.

Referencias

  • Benloucif, S.; Guico, MJ; Reid, KJ; Wolfe, LF; L'Hermite-Baleriaux, M.; Zee, PC (2005). "Estabilidad de la melatonina y la temperatura como marcadores de la fase circadiana y su relación con los tiempos de sueño en humanos". Journal of Biological Rhythms . 20 (2). Publicaciones SAGE: 178–188. CiteSeerX  10.1.1.851.1161 . doi :10.1177/0748730404273983. ISSN  0748-7304. PMID  15834114. S2CID  36360463.
  • Branco, Carlos Moura; Ritchie, Robert O.; Sklenička, Václav (1996). Comportamiento mecánico de materiales a alta temperatura . Saltador. ISBN 978-0-7923-4113-0.
  • Crompton, Thomas Roy (2000). "Efectos de la temperatura de funcionamiento en la vida útil". Libro de referencia sobre baterías . Newnes. ISBN 978-0-7506-4625-3.
  • Dougal, Robert A.; Gao, Lijun; Jiang, Zhenhua (2 de febrero de 2005). "Análisis de la eficacia de la recuperación de energía a partir de baterías parcialmente agotadas". Journal of Power Sources . 140 (2). Elsevier BV: 409–415. Bibcode :2005JPS...140..409D. doi :10.1016/j.jpowsour.2004.08.037.
  • Marx, John (2010). Medicina de urgencias de Rosen: conceptos y práctica clínica (7.ª ed.). Filadelfia, PA: Mosby/Elsevier. ISBN 978-0-323-05472-0.
  • Turner, Martin JL (2009). Propulsión de cohetes y naves espaciales: principios, práctica y nuevos desarrollos . Springer Praxis Books / Ingeniería astronáutica. Springer. ISBN 978-3-540-69202-7.OCLC 475771458  .
  • Vassighi, Arman; Sachdev, Manoj (2006). Gestión térmica y energética de circuitos integrados . Circuitos y sistemas integrados. ISBN 9780387257624.
  • "Compatibilidad mejorada con dispositivos de temperatura". Altera Corporation . Consultado el 27 de febrero de 2014 .
  • "Resistores en circuitos analógicos". Analog Devices . Consultado el 27 de febrero de 2014 .
  • "Procesador Intel Xeon: gestión térmica". Intel Corporation . Consultado el 27 de enero de 2010 .
  • "Códigos de identificación de empaquetado del procesador Intel Pentium". Intel Corporation . 12 de mayo de 2004 . Consultado el 27 de enero de 2010 .
  • "MIL-STD-810G: Norma de método de prueba para consideraciones de ingeniería ambiental y pruebas de laboratorio" (PDF) . Departamento de Defensa de los Estados Unidos . 2008-10-31. Archivado desde el original (PDF) el 2011-09-27.
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