Рабочая температура — это допустимый диапазон температур локальной окружающей среды, в котором работает электрическое или механическое устройство. Устройство будет эффективно работать в указанном диапазоне температур, который зависит от функции устройства и контекста применения и варьируется от минимальной рабочей температуры до максимальной рабочей температуры (или пиковой рабочей температуры ). За пределами этого диапазона безопасных рабочих температур устройство может выйти из строя.
Это один из компонентов техники надежности .
Аналогично биологические системы имеют жизнеспособный температурный диапазон, который можно назвать «рабочей температурой».
Большинство полупроводниковых приборов производятся в нескольких температурных классах. Общепринятыми классами [1] являются:
Тем не менее, каждый производитель определяет свои собственные температурные классы, поэтому проектировщики должны обращать внимание на спецификации листов данных . Например, Maxim Integrated использует пять температурных классов для своих продуктов: [2]
Использование таких классов гарантирует, что устройство подходит для своего применения и будет выдерживать условия окружающей среды, в которых оно используется. Нормальные диапазоны рабочих температур зависят от нескольких факторов, таких как рассеиваемая мощность устройства. [3] Эти факторы используются для определения «пороговой температуры» устройства, т. е. его максимальной нормальной рабочей температуры и максимальной рабочей температуры, за пределами которой устройство больше не будет функционировать. Между этими двумя температурами устройство будет работать на непиковом уровне. [4] Например, резистор может иметь пороговую температуру 70 °C (158 °F) и максимальную температуру 155 °C (311 °F), между которыми он демонстрирует температурное снижение . [3]
Для электрических устройств рабочая температура может быть температурой перехода (T J ) полупроводника в устройстве. Температура перехода зависит от температуры окружающей среды, а для интегральных схем определяется уравнением: [5]
где T J — температура перехода в °C, T a — температура окружающей среды в °C, P D — рассеиваемая мощность интегральной схемы в Вт , а R ja — тепловое сопротивление перехода к окружающей среде в °C/Вт.
Электрические и механические устройства, используемые в военной и аэрокосмической промышленности, могут быть вынуждены выдерживать большую изменчивость окружающей среды, включая диапазон температур.
В США Министерство обороны определило Военный стандарт США для всех продуктов, используемых Вооруженными силами США. Экологическая конструкция продукта и испытательные пределы условий, которым он будет подвергаться в течение своего срока службы, указаны в MIL-STD-810 , Стандарте методов испытаний Министерства обороны для экологических инженерных соображений и лабораторных испытаний . [6]
Стандарт MIL-STD-810G определяет, что «стабилизация рабочей температуры достигается, когда температура функционирующей части (частей) тестируемого изделия, которая считается имеющей самую длинную тепловую задержку, изменяется со скоростью не более 2,0 °C (3,6 °F) в час». [6] Он также определяет процедуры оценки характеристик материалов при экстремальных температурных нагрузках . [7]
Лопатки турбин военных двигателей испытывают два значительных напряжения деформации во время нормальной эксплуатации: ползучесть и термическую усталость . [8] Срок службы материала при ползучести «сильно зависит от рабочей температуры», [8] и анализ ползучести, таким образом, является важной частью проверки конструкции. Некоторые эффекты ползучести и термической усталости могут быть смягчены путем интеграции систем охлаждения в конструкцию устройства, что снижает пиковую температуру, испытываемую металлом. [8]
Коммерческие и розничные продукты производятся по менее строгим требованиям, чем для военных и аэрокосмических приложений. Например, микропроцессоры , производимые корпорацией Intel, производятся по трем классам: коммерческий, промышленный и расширенный. [9]
Поскольку некоторые устройства выделяют тепло во время работы, им может потребоваться управление температурой , чтобы гарантировать, что они находятся в указанном диапазоне рабочих температур; в частности, что они работают на максимальной рабочей температуре устройства или ниже ее. [10] Охлаждение микропроцессора, установленного в типичной коммерческой или розничной конфигурации, требует «правильно установленного на процессоре радиатора и эффективного воздушного потока через системный корпус». [10] Системы разработаны для защиты процессора от необычных условий эксплуатации, таких как «более высокая, чем обычно, температура окружающего воздуха или отказ компонента управления температурой системы (например, системного вентилятора)», [10] хотя в «правильно спроектированной системе эта функция никогда не должна активироваться». [10] Охлаждение и другие методы управления температурой могут влиять на производительность и уровень шума. [10] В жилых помещениях могут потребоваться стратегии снижения шума , чтобы гарантировать, что уровень шума не станет дискомфортным.
Срок службы и эффективность батареи зависят от рабочей температуры. [11] Эффективность определяется путем сравнения срока службы, достигнутого батареей, в процентах от срока службы, достигнутого при 20 °C (68 °F) по сравнению с температурой. Омическая нагрузка и рабочая температура часто совместно определяют скорость разряда батареи. [12] Более того, если ожидаемая рабочая температура для первичной батареи отклоняется от типичного диапазона от 10 °C до 25 °C (от 50 до 77 °F), то рабочая температура «часто будет иметь влияние на тип батареи, выбранной для применения». [13] Было показано, что рекуперация энергии из частично разряженной литий-диоксидной батареи серы улучшается при «соответствующем повышении рабочей температуры батареи». [14]
Млекопитающие пытаются поддерживать комфортную температуру тела в различных условиях с помощью терморегуляции , части гомеостаза млекопитающих . Самая низкая нормальная температура млекопитающего, базальная температура тела , достигается во время сна. У женщин на нее влияет овуляция, вызывая двухфазный паттерн, который может использоваться как компонент осознания фертильности .
У людей гипоталамус регулирует метаболизм , а значит и базальную скорость метаболизма . Среди его функций — регуляция температуры тела. Температура тела также является одним из классических фазовых маркеров для измерения времени циркадного ритма человека . [15]
Изменения нормальной температуры тела человека могут вызывать дискомфорт. Наиболее распространенным из таких изменений является лихорадка , временное повышение терморегуляторной установки организма, как правило, примерно на 1–2 °C (1,8–3,6 °F). Гипертермия — это острое состояние, вызванное тем, что организм поглощает больше тепла, чем может рассеять, тогда как гипотермия — это состояние, при котором внутренняя температура тела падает ниже необходимой для нормального обмена веществ, и которое вызвано неспособностью организма восполнять тепло, которое теряется в окружающей среде. [16]
