Betriebstemperatur

Die Betriebstemperatur ist der zulässige Temperaturbereich der Umgebung, in dem ein elektrisches oder mechanisches Gerät betrieben werden darf. Das Gerät arbeitet innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs, der je nach Funktion und Anwendungskontext variiert und von der minimalen bis zur maximalen Betriebstemperatur (oder Spitzenbetriebstemperatur ) reicht, einwandfrei. Außerhalb dieses sicheren Betriebstemperaturbereichs kann das Gerät ausfallen.

Es ist ein Bestandteil der Zuverlässigkeitstechnik .

Ähnlich verhält es sich mit biologischen Systemen, die in einem Temperaturbereich lebensfähig bleiben, der einer Betriebstemperatur entspricht.

Die meisten Halbleiterbauelemente werden in verschiedenen Temperaturklassen hergestellt. Weitgehend akzeptierte Temperaturklassen ^{[ 1 ]} sind:

• Gewerblicher Temperaturbereich: 0 bis 70 °C (32 bis 158 °F)
• Industriell: −40 bis 85 °C (−40 bis 185 °F)
• Militär: −55 bis 125 °C (−67 bis 257 °F)

Dennoch definiert jeder Hersteller seine eigenen Temperaturklassen, daher müssen Konstrukteure die Angaben im Datenblatt beachten. Maxim Integrated verwendet beispielsweise fünf Temperaturklassen für seine Produkte: ^{[ 2 ]}

• Vollständiger Militärbereich: −55 bis 125 °C (−67 bis 257 °F)
• Automobilbereich: −25 bis 125 °C (−13 bis 257 °F)
• AEC-Q100 Stufe 2: −40 bis 105 °C (−40 bis 221 °F)
• Erweiterter industrieller Temperaturbereich: −40 bis 85 °C (−40 bis 185 °F)
• Industriell: −20 bis 85 °C (−4 bis 185 °F)

Die Verwendung solcher Güteklassen gewährleistet, dass ein Bauteil für seine Anwendung geeignet ist und den Umgebungsbedingungen standhält. Normale Betriebstemperaturbereiche werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, beispielsweise von der Verlustleistung des Bauteils. ^{[ 3 ]} Anhand dieser Faktoren wird eine Schwellentemperatur definiert, d. h. die maximale normale Betriebstemperatur und die maximale Betriebstemperatur, oberhalb derer das Bauteil nicht mehr funktioniert. Zwischen diesen beiden Temperaturen arbeitet das Bauteil mit reduzierter Leistung. ^{[ 4 ]} Beispielsweise kann ein Widerstand eine Schwellentemperatur von 70 °C (158 °F) und eine maximale Temperatur von 155 °C (311 °F) aufweisen, zwischen denen er eine thermische Leistungsreduzierung zeigt . ^{[ 3 ]}

Bei elektrischen Bauelementen wird die Temperatur des Halbleiters im Bauelement, die sogenannte Sperrschichttemperatur , von der Umgebungstemperatur beeinflusst und ist für integrierte Schaltungen durch die Gleichung ^{[ 5 ]} gegeben, wobei T _J die Sperrschichttemperatur in °C, T _a die Umgebungstemperatur in °C, P _D die Verlustleistung der integrierten Schaltung in W und R _{ja der} thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung in °C/W ist. $${\displaystyle T_{\text{J}}=T_{\text{a}}+P_{\text{D}}\times R_{\text{ja}},}$$

Elektrische und mechanische Geräte, die in militärischen und Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden, müssen unter Umständen größeren Umweltschwankungen, einschließlich eines größeren Temperaturbereichs, standhalten.

Das US-Verteidigungsministerium hat den US-Militärstandard für alle von den US-Streitkräften verwendeten Produkte definiert . Die Umweltauslegungs- und Testgrenzen eines Produkts für die Bedingungen, denen es während seiner gesamten Nutzungsdauer ausgesetzt sein wird, sind in MIL-STD-810 , dem Testmethodenstandard des Verteidigungsministeriums für umwelttechnische Aspekte und Labortests, spezifiziert . ^{[ 6 ]}

Der Standard MIL-STD-810G legt fest, dass die Stabilisierung der Betriebstemperatur erreicht ist, wenn sich die Temperatur des/der Funktionsteile(s) des Prüflings mit der längsten thermischen Verzögerung um nicht mehr als 2,0 °C (3,6 °F) pro Stunde ändert. ^{[ 6 ]} Er beschreibt außerdem Verfahren zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Werkstoffen unter extremen Temperaturbelastungen . ^{[ 7 ]}

Turbinenschaufeln militärischer Triebwerke sind im Normalbetrieb zwei wesentlichen Verformungsbeanspruchungen ausgesetzt: Kriechen und thermischer Ermüdung . ^{[ 8 ]} Die Kriechlebensdauer eines Werkstoffs ist „stark von der Betriebstemperatur abhängig“ ^{[ 8 ]} , weshalb die Kriechanalyse ein wichtiger Bestandteil der Konstruktionsvalidierung ist. Einige Auswirkungen von Kriechen und thermischer Ermüdung lassen sich durch die Integration von Kühlsystemen in die Konstruktion des Bauteils mindern, wodurch die vom Metall beanspruchte Spitzentemperatur reduziert wird. ^{[ 8 ]}

Für Produkte des kommerziellen und Einzelhandels gelten weniger strenge Anforderungen als für solche, die für militärische und Luft- und Raumfahrtanwendungen bestimmt sind. Beispielsweise werden Mikroprozessoren der Intel Corporation in drei Qualitätsstufen gefertigt: kommerziell, industriell und erweitert. ^{[ 9 ]}

Da einige Geräte im Betrieb Wärme erzeugen, kann ein Wärmemanagement erforderlich sein , um sicherzustellen, dass sie innerhalb ihres spezifizierten Betriebstemperaturbereichs arbeiten; insbesondere, dass sie die maximale Betriebstemperatur des Geräts nicht überschreiten. ^{[ 10 ]} Die Kühlung eines Mikroprozessors in einer typischen kommerziellen oder Einzelhandelskonfiguration erfordert „einen ordnungsgemäß am Prozessor montierten Kühlkörper und eine effektive Luftzirkulation durch das Systemgehäuse“. ^{[ 10 ]} Systeme sind so konzipiert, dass sie den Prozessor vor ungewöhnlichen Betriebsbedingungen schützen, wie z. B. „höheren als normalen Umgebungslufttemperaturen oder dem Ausfall einer Komponente des Wärmemanagements (z. B. eines Systemlüfters)“. ^{[ 10 ]} In einem ordnungsgemäß konzipierten System sollte diese Funktion jedoch niemals aktiv werden. ^{[ 10 ]} Kühlung und andere Wärmemanagementtechniken können die Leistung und den Geräuschpegel beeinflussen. ^{[ 10 ]} In Wohngebäuden können Maßnahmen zur Geräuschreduzierung erforderlich sein, um sicherzustellen, dass der Geräuschpegel nicht als unangenehm empfunden wird.

Die Lebensdauer und Effizienz von Batterien werden durch die Betriebstemperatur beeinflusst. ^{[ 11 ]} Die Effizienz wird bestimmt, indem die erreichte Lebensdauer der Batterie als Prozentsatz ihrer Lebensdauer bei 20 °C (68 °F) mit der Temperatur verglichen wird. Die ohmsche Last und die Betriebstemperatur bestimmen häufig gemeinsam die Entladerate einer Batterie. ^{[ 12 ]} Weicht die erwartete Betriebstemperatur einer Primärbatterie vom typischen Bereich von 10 °C bis 25 °C (50 °F bis 77 °F) ab, so hat die Betriebstemperatur „oft Einfluss auf die Wahl des Batterietyps für die jeweilige Anwendung“. ^{[ 13 ]} Es hat sich gezeigt, dass die Energierückgewinnung aus teilweise entladenen Lithium-Schwefeldioxid-Batterien durch „eine angemessene Erhöhung der Batteriebetriebstemperatur“ verbessert werden kann. ^{[ 14 ]}

Säugetiere versuchen, durch Thermoregulation , einem Bestandteil der Homöostase , unter verschiedenen Bedingungen eine angenehme Körpertemperatur aufrechtzuerhalten . Die niedrigste normale Körpertemperatur eines Säugetiers, die Basaltemperatur , wird im Schlaf erreicht. Bei Frauen wird sie durch den Eisprung beeinflusst, was zu einem zweiphasigen Verlauf führt, der zur Bestimmung der fruchtbaren Tage genutzt werden kann .

Beim Menschen reguliert der Hypothalamus den Stoffwechsel und damit den Grundumsatz . Zu seinen Funktionen gehört auch die Regulation der Körpertemperatur. Die Körperkerntemperatur ist zudem einer der klassischen Phasenmarker zur Messung des Zeitpunkts des zirkadianen Rhythmus eines Individuums . ^{[ 15 ]}

Veränderungen der normalen menschlichen Körpertemperatur können zu Unbehagen führen. Die häufigste dieser Veränderungen ist Fieber , eine vorübergehende Erhöhung des thermoregulatorischen Sollwerts des Körpers, typischerweise um etwa 1–2 °C. Hyperthermie ist ein akuter Zustand, der dadurch entsteht, dass der Körper mehr Wärme aufnimmt, als er abgeben kann. Hypothermie hingegen ist ein Zustand, bei dem die Körperkerntemperatur unter den für den normalen Stoffwechsel erforderlichen Wert sinkt. Ursache hierfür ist die Unfähigkeit des Körpers, die an die Umgebung abgegebene Wärme zu ersetzen. ^{[ 16 ]}