Temperatura de funcionamiento

La temperatura de funcionamiento es el rango de temperatura admisible del entorno local dentro del cual opera un dispositivo eléctrico o mecánico. El dispositivo funcionará eficazmente dentro de un rango de temperatura específico que varía según su función y contexto de aplicación, y abarca desde la temperatura mínima de funcionamiento hasta la temperatura máxima (o temperatura pico ). Fuera de este rango de temperaturas de funcionamiento seguras, el dispositivo podría fallar.

Es uno de los componentes de la ingeniería de confiabilidad .

De manera similar, los sistemas biológicos permanecen viables en un rango de temperatura equivalente a la temperatura de funcionamiento.

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

• Comercial: 0 a 70 °C (32 a 158 °F)  
• Industrial: −40 a 85 °C (−40 a 185 °F)  
• Militar: −55 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 la hoja de datos . Por ejemplo, Maxim Integrated utiliza cinco grados de temperatura para sus productos: ^{[ 2 ]}

• Temperatura militar máxima: de -55 a 125 °C (de -67 a 257 °F)  
• Automoción: −25 a 125 °C (−13 a 257 °F)  
• Nivel 2 de AEC-Q100: -40 a 105 °C (-40 a 221 °F)  
• Uso industrial extendido: de -40 a 85 °C (de -40 a 185 °F)  
• Industrial: de -20 a 85 °C (de -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 máxima de funcionamiento normal y una temperatura máxima de funcionamiento más allá de la cual el dispositivo dejará de funcionar. Entre estas dos temperaturas, el dispositivo funcionará a un nivel no máximo. ^{[ 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 presenta una reducción de potencia térmica . ^{[ 3 ]}    

Para los dispositivos eléctricos, la temperatura del semiconductor en el dispositivo, conocida como temperatura de unión , se ve afectada por la temperatura ambiente, y para los circuitos integrados viene dada por la ecuación ^{[ 5 ].}$${\displaystyle T_{\text{J}}=T_{\text{a}}+P_{\text{D}}\times R_{\text{ja}},}$$ 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.

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

En Estados Unidos, el Departamento de Defensa ha definido el Estándar Militar de Estados Unidos para todos los productos utilizados por las Fuerzas Armadas de Estados Unidos. El diseño ambiental de un producto y los límites de prueba para las condiciones a las que estará sometido 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 la(s) parte(s) funcional(es) del elemento de prueba que se considera que tiene el mayor retardo térmico 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 extremas . ^{[ 7 ]}  

Las palas de las turbinas de los motores militares experimentan dos tensiones de deformación significativas durante su funcionamiento normal: la fluencia y la fatiga térmica . ^{[ 8 ]} La vida útil de un material frente a la fluencia depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento, ^{[ 8 ]} y, por lo tanto, el análisis de la 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 refrigeración en el diseño del dispositivo, lo que reduce la temperatura máxima que experimenta el metal. ^{[ 8 ]}

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 gestión térmica para asegurar que se encuentren dentro de su rango de temperatura de funcionamiento especificado; específicamente, que operen a o por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento del dispositivo. ^{[ 10 ]} Enfriar un microprocesador montado en una configuración comercial o minorista típica 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 el procesador de condiciones de funcionamiento inusuales, como "temperaturas del aire ambiente más altas de lo normal o falla 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 el rendimiento y el nivel de ruido. ^{[ 10 ]} Es posible que se requieran estrategias de mitigación de ruido en aplicaciones residenciales para asegurar que el nivel de ruido no sea 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 porcentaje de su vida útil alcanzada a 20 °C (68 °F) frente a 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 prevista 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 influirá 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 de litio parcialmente agotada mejora cuando "aumenta adecuadamente la temperatura de funcionamiento de la batería". ^{[ 14 ]}     

Los mamíferos intentan mantener una temperatura corporal confortable en diversas condiciones mediante la termorregulación , que forma parte de la homeostasis . La temperatura basal, la temperatura corporal normal más baja de un mamífero , se alcanza durante el sueño. En las mujeres, se ve afectada por la ovulación, lo que provoca un patrón bifásico que puede utilizarse como parte de los métodos de 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 es también 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 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 el cuerpo puede disipar, mientras que la hipotermia es una afección en la que la temperatura central del cuerpo desciende por debajo de la necesaria para el metabolismo normal, y que se produce por la incapacidad del cuerpo para reponer el calor que se pierde al ambiente. ^{[ 16 ]}