Рабочая Температура

Диапазон температур, в котором ожидается надежная работа оборудования

Рабочая температура — это допустимый диапазон температур окружающей среды, при котором работает электрическое или механическое устройство. Устройство будет эффективно работать в заданном температурном диапазоне, который варьируется в зависимости 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 обеспечения надежности .

Точно так же биологические системы имеют приемлемый температурный диапазон, который можно назвать «рабочей температурой».

Диапазоны

Большинство полупроводниковых приборов производятся в нескольких температурных диапазонах. Широко распространенными оценками ^[1] являются:

• Коммерческий: от 0 ° до 70 °C
• Промышленный: от −40° до 85°C
• Военные: от −55 ° до 125 ° C.

Тем не менее, каждый производитель определяет свои собственные температурные уровни, поэтому проектировщики должны уделять пристальное внимание фактическим характеристикам, указанным в технических характеристиках . Например, компания Maxim Integrated использует для своей продукции пять температурных классов: ^[2]

• Полный военный: от −55 °C до 125 °C.
• Автомобильная промышленность: от −40 °C до 125 °C.
• AEC-Q100 Уровень 2: от −40 °C до 105 °C.
• Расширенный промышленный диапазон: от −40 °C до 85 °C.
• Промышленный: от −20 °C до 85 °C.

Использование таких марок гарантирует, что устройство подходит для своего применения и выдерживает условия окружающей среды, в которых оно используется. На нормальный диапазон рабочих температур влияет несколько 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, при превышении 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 и максимальную температуру 155 °C, между которыми происходит термическое снижение номинальных характеристик . ^[3]

Для электрических устройств рабочая температура может быть температурой перехода (T _J ) полупроводника в устройстве. Температура перехода зависит от температуры окружающей среды и для интегральных схем определяется уравнением: ^[5]

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

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. .

Аэрокосмическая и военная промышленность

Электрические и механические устройства, используемые в военной и аэрокосмической промышленности, возможно, должны выдерживать большую изменчивость окружающей среды, включая температурный диапазон.

Министерство обороны США определило Военный стандарт США для всей продукции, используемой Вооруженными силами США. Экологическая конструкция продукта и пределы испытаний в условиях, которым оно будет подвергаться в течение всего срока службы, указаны в MIL-STD-810 , Стандарте методов испытаний Министерства обороны США для учета экологических инженерных соображений и лабораторных испытаний . ^[6]

Стандарт MIL-STD-810G определяет, что «стабилизация рабочей температуры достигается, когда температура функционирующей части (частей) испытуемого объекта, которая, как считается, имеет наибольшую 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 турбины военных двигателей при нормальной эксплуатации испытывают два значительных деформационных напряжения: ползучесть и термическую усталость . ^[8] Срок службы материала при ползучести «сильно зависит от рабочей температуры», ^[8] и поэтому анализ ползучести является важной частью проверки конструкции. Некоторые эффекты ползучести и термической усталости можно смягчить за счет интеграции систем охлаждения в конструкцию устройства, снижая пиковую температуру, испытываемую металлом. ^[8]

Коммерция и розничная торговля

Коммерческая и розничная продукция производится с соблюдением менее строгих требований, чем продукция для военного и аэрокосмического применения. Например, микропроцессоры , производимые корпорацией Intel , выпускаются в трех классах: коммерческом, промышленном и расширенном. ^[9]

Поскольку некоторые устройства выделяют тепло во время работы, им может потребоваться управление температурным режимом , чтобы гарантировать, что они находятся в указанном диапазоне рабочих температур; в частности, что они работают при максимальной рабочей температуре устройства или ниже нее. ^[10] Для охлаждения микропроцессора, установленного в типичной коммерческой или розничной конфигурации, требуется «радиатор, правильно установленный на процессоре, и эффективный поток воздуха через корпус системы». ^[10] Системы предназначены для защиты процессора от необычных условий эксплуатации, таких как «более высокая, чем обычно, температура окружающего воздуха или отказ компонента управления температурным режимом системы (например, системного вентилятора)», [ ^10] , хотя и в «правильно спроектированном системе эта функция никогда не должна активироваться». ^[10] Охлаждение и другие методы управления температурным режимом могут повлиять на производительность и уровень шума. ^{[10] В жилых помещениях могут потребоваться стратегии} снижения шума , чтобы гарантировать, что уровень шума не станет некомфортным.

Срок службы и эффективность аккумулятора зависит от рабочей температуры. ^[11] Эффективность определяется путем сравнения срока службы батареи в процентах от срока службы, достигнутого при 20 °C, с температурой. Омическая нагрузка и рабочая температура часто совместно определяют скорость разряда аккумулятора. ^[12] Более того, если ожидаемая рабочая температура основной батареи отклоняется от типичного диапазона от 10 °C до 25 °C, то рабочая температура «часто будет влиять на тип батареи, выбранной для данного применения». ^[13] Было показано , что рекуперация энергии из частично разряженной литиевой батареи с диоксидом серы улучшается при «соответствующем увеличении рабочей температуры батареи». ^[14]

Биология

Млекопитающие пытаются поддерживать комфортную температуру тела в различных условиях с помощью терморегуляции , которая является частью гомеостаза млекопитающих . Самая низкая нормальная температура млекопитающего — базальная температура тела — достигается во время сна. У женщин на него влияет овуляция, вызывающая двухфазный характер, который можно использовать как компонент осознания фертильности .

У человека гипоталамус регулирует обмен веществ и, следовательно, скорость основного обмена . Среди его функций – регулирование температуры тела. Температура тела также является одним из классических фазовых маркеров для измерения времени циркадного ритма человека . ^[15]

Изменения нормальной температуры тела человека могут привести к дискомфорту. Наиболее частым таким изменением является лихорадка , временное повышение температуры терморегуляции организма, обычно 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 температуры, необходимой для нормального обмена веществ, и которое вызвано неспособностью организма пополнять запасы тепла. теряется в окружающей среде. ^[16]

Примечания

1. https://www.cactus-tech.com/wp-content/uploads/2019/03/Commercial-and-Industrial-Grade-Products.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}
2. «Полупроводники для аэрокосмической и оборонной промышленности | Maxim Integrated» .
3. Аналоговые устройства.
4. Аналоговые устройства, Рассеиваемая мощность.
5. Вассиги и Сачдев 2006, с. 32.
6. Министерство обороны США.
7. Министерство обороны США, раздел 2.1.1.
8. Бранко, Ричи и Скленичка 1996.
9. Идентификационные коды упаковки процессора Pentium На упаковке Intel указан диапазон рабочих температур процессора, обозначая его классом: «Q» (коммерческий класс), «I» (промышленный класс) и «L» или «T» (расширенный класс). Он также имеет автомобильный класс «А».
10. Корпорация Intel.
11. Кромптон 2000.
12. Кромптон 2000, с. рисунок 30.33.
13. Кромптон 2000, с. 2/5, раздел 2.1.
14. Дугал, Гао и Цзян 2005.
15. Бенлусиф и др. 2005.
16. Маркс 2010, с. 1870.

Рекомендации

• Бенлусиф, С.; Гико, MJ; Рид, К.Дж.; Вулф, LF; Л'Эрмит-Балерио, М.; Зи, ПК (2005). «Стабильность мелатонина и температуры как маркеров циркадной фазы и их связь со временем сна у людей». Журнал биологических ритмов . Публикации SAGE. 20 (2): 178–188. CiteSeerX  10.1.1.851.1161 . дои : 10.1177/0748730404273983. ISSN  0748-7304. PMID  15834114. S2CID  36360463.
• Бранко, Карлос Моура; Ричи, Роберт О.; Скленичка, Вацлав (1996). Механическое поведение материалов при высокой температуре . Спрингер. ISBN 978-0-7923-4113-0.
• Кромптон, Томас Рой (2000). «Влияние рабочей температуры на срок службы». Справочник по аккумуляторам . Ньюнес. ISBN 978-0-7506-4625-3.
• Дугал, Роберт А.; Гао, Лицзюнь; Цзян, Чжэньхуа (2 февраля 2005 г.). «Анализ эффективности рекуперации энергии частично разряженных аккумуляторов». Журнал источников энергии . Эльзевир Б.В. 140 (2): 409–415. Бибкод : 2005JPS...140..409D. дои : 10.1016/j.jpowsour.2004.08.037.
• Маркс, Джон (2010). Неотложная медицина Розена: концепции и клиническая практика (7-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Мосби/Элзевир. ISBN 978-0-323-05472-0.
• Тернер, Мартин Дж.Л. (2009). Движение ракет и космических аппаратов: принципы, практика и новые разработки . Книги Springer Praxis / Космонавтика. Спрингер. ISBN 978-3-540-69202-7. ОКЛК  475771458.
• Васиги, Арман; Сачдев, Манодж (2006). Управление температурой и питанием интегральных микросхем . Интегральные схемы и системы. ISBN 9780387257624.
• «Расширенная поддержка температурных устройств». Корпорация Альтера . Проверено 27 февраля 2014 г.
• «Резисторы в аналоговых схемах». Аналоговые устройства . Проверено 27 февраля 2014 г.
• «Процессор Intel Xeon — управление температурным режимом». Корпорация Интел . Проверено 27 января 2010 г.
• «Идентификационные коды упаковки процессоров Intel Pentium». Корпорация Интел . 12 мая 2004 г. Проверено 27 января 2010 г.
• «MIL-STD-810G: Стандарт метода испытаний для учета экологических требований и лабораторных испытаний» (PDF) . Министерство обороны США . 31 октября 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2011 г.