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 efectiva dentro de un rango de temperatura específico que varía según la función del dispositivo y el contexto de la aplicación, y varía desde la temperatura de funcionamiento mínima hasta la temperatura de funcionamiento máxima (o temperatura de funcionamiento máxima ). 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, que podría denominarse "temperatura de funcionamiento".
La mayoría de los dispositivos semiconductores se fabrican en varios grados de temperatura. Las calificaciones ampliamente aceptadas [1] son:
Sin embargo, cada fabricante define sus propios grados de temperatura, por lo que los diseñadores deben prestar mucha atención a las especificaciones reales de la hoja de datos . Por ejemplo, Maxim Integrated utiliza cinco grados de temperatura para sus productos: [2]
El uso de dichos grados garantiza que un dispositivo sea adecuado para su aplicación y resistirá las condiciones ambientales en las que se utiliza. Los rangos de temperatura de funcionamiento normal se ven afectados por varios factores, como la disipación de energía del dispositivo. [3] Estos factores se utilizan para definir una "temperatura umbral" de un dispositivo, es decir, su temperatura máxima de funcionamiento normal y una temperatura máxima de funcionamiento 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 y una temperatura máxima de 155 °C, entre las cuales presenta una reducción térmica . [3]
Para dispositivos eléctricos, la temperatura de funcionamiento puede ser la temperatura de unión (T J ) del semiconductor en el dispositivo. La temperatura de la unión se ve afectada por la temperatura ambiente y, para circuitos integrados , viene dada por la ecuación: [5]
en la que T J es la temperatura de la unión en °C, Ta 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 a la temperatura ambiente en °C/W .
Es posible que los dispositivos eléctricos y mecánicos utilizados en aplicaciones militares y aeroespaciales deban soportar una mayor variabilidad ambiental, incluido el rango de temperatura.
En los Estados Unidos, el Departamento de Defensa 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 de las condiciones a las que se someterá a lo largo de su vida útil se especifican en MIL-STD-810 , el estándar de métodos de prueba para consideraciones de ingeniería ambiental y pruebas de laboratorio del Departamento de Defensa . [6]
El estándar MIL-STD-810G especifica que "la estabilización de la temperatura de funcionamiento se logra cuando la temperatura de las partes funcionales del elemento de prueba que se considera que tiene el retraso térmico más largo cambia a una velocidad no superior a 2,0 °C ( 3,6 °F) por hora." [6] También especifica procedimientos para evaluar el rendimiento de los materiales ante cargas de temperatura extrema . [7]
Las palas de las turbinas de los motores militares experimentan dos tensiones de deformación significativas durante el servicio normal: fluencia y fatiga térmica . [8] La vida útil 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 pueden mitigarse integrando sistemas de enfriamiento en el diseño del dispositivo, reduciendo la temperatura máxima que experimenta el metal. [8]
Los productos comerciales y minoristas se fabrican con requisitos menos estrictos que los de aplicaciones militares y aeroespaciales. Por ejemplo, los microprocesadores producidos por Intel Corporation se fabrican en tres grados: comercial, industrial y ampliado. [9]
Debido a que algunos dispositivos generan calor durante el funcionamiento, es posible que requieran gestión térmica para garantizar que se encuentren dentro del rango de temperatura de funcionamiento especificado; específicamente, que estén funcionando a la temperatura máxima de funcionamiento del dispositivo o por debajo de ella. [10] Enfriar un microprocesador montado en una configuración comercial o minorista típica requiere "un disipador de calor montado correctamente en el procesador y un flujo de aire efectivo a través del chasis del sistema". [10] Los sistemas están diseñados para proteger el procesador de condiciones operativas inusuales, como "temperaturas del aire ambiente más altas de lo normal o falla de un componente de administración térmica del sistema (como un ventilador del sistema)", [10 ] aunque en "un entorno diseñado adecuadamente". sistema, esta característica nunca debería activarse". [10] La refrigeración y otras técnicas de gestión térmica pueden afectar el rendimiento y el 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 se vuelva 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 lograda por la batería como porcentaje de su vida útil lograda a 20 °C versus 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, entonces la temperatura de funcionamiento "a menudo tendrá una influencia en el tipo de batería seleccionada 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]
Los mamíferos intentan mantener una temperatura corporal confortable en diversas condiciones mediante la termorregulación , 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 afectado por la ovulación, provocando un patrón bifásico que puede usarse como un componente del conocimiento de la fertilidad .
En los seres humanos, el hipotálamo regula el metabolismo y, por tanto, la tasa metabólica basal . Entre sus funciones se encuentra la regulación de la temperatura corporal. La temperatura corporal central es también uno de los marcadores de fase clásicos para medir el ritmo circadiano de un individuo . [15]
Los cambios en la temperatura normal del cuerpo humano pueden provocar molestias. El cambio de este tipo más común es la fiebre , una elevación temporal del punto de ajuste termorregulador del cuerpo, generalmente de aproximadamente 1 a 2 °C (1,8 a 3,6 °F). La hipertermia es una afección aguda causada por el cuerpo que absorbe más calor del que puede disipar, mientras que la hipotermia es una afección en la que la temperatura central del cuerpo desciende por debajo de la requerida para el metabolismo normal y que es causada por la incapacidad del cuerpo para reponer el calor que se perdiéndose en el medio ambiente. [dieciséis]
