درجة حرارة التشغيل

الموسوعة الحرة

درجة حرارة التشغيل هي نطاق درجة الحرارة المسموح به في البيئة المحيطة التي يعمل عندها جهاز كهربائي أو ميكانيكي. يعمل الجهاز بكفاءة ضمن نطاق درجة حرارة محدد يختلف باختلاف وظيفة الجهاز وسياق استخدامه، ويتراوح من أدنى درجة حرارة تشغيل إلى أعلى درجة حرارة تشغيل (أو ذروة درجة حرارة التشغيل ). خارج هذا النطاق الآمن لدرجات حرارة التشغيل، قد يتعطل الجهاز.

وهو أحد مكونات هندسة الموثوقية .

وبالمثل، تظل الأنظمة البيولوجية قابلة للحياة في نطاق درجة حرارة يعادل درجة حرارة التشغيل.

نطاقات

تُصنّع معظم أجهزة أشباه الموصلات ضمن عدة درجات حرارة. ومن الدرجات المقبولة على نطاق واسع [ 1 ] ما يلي:

  • تجاري: من 0 إلى 70 درجة مئوية (من 32 إلى 158 درجة فهرنهايت)  
  • الاستخدام الصناعي: من -40 إلى 85 درجة مئوية (من -40 إلى 185 درجة فهرنهايت)  
  • الاستخدام العسكري: من -55 إلى 125 درجة مئوية (من -67 إلى 257 درجة فهرنهايت)  

مع ذلك، يحدد كل مصنّع درجات الحرارة الخاصة به، لذا يجب على المصممين الانتباه إلى مواصفات ورقة البيانات . على سبيل المثال، تستخدم شركة ماكسيم إنتجريتد خمس درجات حرارة لمنتجاتها: [ 2 ]

  • نطاق التشغيل العسكري الكامل: من -55 إلى 125 درجة مئوية (من -67 إلى 257 درجة فهرنهايت)  
  • السيارات: من -25 إلى 125 درجة مئوية (من -13 إلى 257 درجة فهرنهايت)  
  • المستوى 2 من معيار AEC-Q100: من -40 إلى 105 درجة مئوية (من -40 إلى 221 درجة فهرنهايت)  
  • نطاق الاستخدام الصناعي الممتد: من -40 إلى 85 درجة مئوية (من -40 إلى 185 درجة فهرنهايت)  
  • الاستخدام الصناعي: من -20 إلى 85 درجة مئوية (من -4 إلى 185 درجة فهرنهايت)  

يضمن استخدام هذه الدرجات ملاءمة الجهاز لتطبيقه وقدرته على تحمل الظروف البيئية التي يُستخدم فيها. تتأثر نطاقات درجات حرارة التشغيل العادية بعدة عوامل، مثل استهلاك الطاقة للجهاز. [ 3 ] تُستخدم هذه العوامل لتحديد "درجة حرارة العتبة" للجهاز، أي أقصى درجة حرارة تشغيل عادية له، وأقصى درجة حرارة تشغيل يتوقف الجهاز عن العمل عند تجاوزها. بين هاتين الدرجتين، يعمل الجهاز بمستوى طاقة منخفض. [ 4 ] على سبيل المثال، قد يكون للمقاوم درجة حرارة عتبة تبلغ 70 درجة مئوية (158 درجة فهرنهايت) ودرجة حرارة قصوى تبلغ 155 درجة مئوية (311 درجة فهرنهايت) ، حيث يُظهر انخفاضًا في الأداء الحراري بينهما . [ 3 ]    

بالنسبة للأجهزة الكهربائية، تتأثر درجة حرارة أشباه الموصلات في الجهاز، والمعروفة باسم درجة حرارة الوصلة ، بدرجة الحرارة المحيطة، وبالنسبة للدوائر المتكاملة يتم إعطاؤها بواسطة المعادلة [ 5 ].تيج=تيأ+Pد×Rja،{\displaystyle T_{\text{J}}=T_{\text{a}}+P_{\text{D}}\times R_{\text{ja}},} حيث T J هي درجة حرارة الوصلة بالدرجة المئوية، و Ta هي درجة الحرارة المحيطة بالدرجة المئوية، و P D هي تبديد الطاقة للدائرة المتكاملة بالواط ، و R ja هي المقاومة الحرارية من الوصلة إلى المحيط بالدرجة المئوية/واط.

الفضاء والصناعات العسكرية

قد تحتاج الأجهزة الكهربائية والميكانيكية المستخدمة في التطبيقات العسكرية والفضائية إلى تحمل تقلبات بيئية أكبر، بما في ذلك نطاق درجات الحرارة.

حددت وزارة الدفاع الأمريكية المعيار العسكري الأمريكي لجميع المنتجات التي تستخدمها القوات المسلحة الأمريكية. ويُحدد المعيار العسكري MIL-STD-810 ، وهو معيار وزارة الدفاع لطرق الاختبار المتعلقة بالاعتبارات الهندسية البيئية والاختبارات المعملية ، التصميم البيئي للمنتج وحدود اختباره في ظل الظروف التي سيخضع لها طوال فترة خدمته . [ 6 ]

ينص معيار MIL-STD-810G على أن "استقرار درجة حرارة التشغيل يتحقق عندما لا تتجاوز درجة حرارة الجزء (الأجزاء) العاملة من عنصر الاختبار، والتي تُعتبر ذات أطول تأخير حراري، معدل تغير قدره 2.0 درجة مئوية (3.6 درجة فهرنهايت) في الساعة". [ 6 ] كما يحدد المعيار إجراءات تقييم أداء المواد في ظل أحمال درجات الحرارة القصوى . [ 7 ]  

تتعرض شفرات توربينات المحركات العسكرية لنوعين رئيسيين من إجهادات التشوه أثناء التشغيل العادي: الزحف والإجهاد الحراري . [ 8 ] يعتمد عمر الزحف للمادة بشكل كبير على درجة حرارة التشغيل، [ 8 ] ولذلك يُعد تحليل الزحف جزءًا مهمًا من التحقق من صحة التصميم. يمكن التخفيف من بعض آثار الزحف والإجهاد الحراري من خلال دمج أنظمة التبريد في تصميم الجهاز، مما يقلل من درجة الحرارة القصوى التي يتعرض لها المعدن. [ 8 ]

تجاري وتجزئة

تُصنّع المنتجات التجارية ومنتجات التجزئة وفقًا لمتطلبات أقل صرامة من تلك الخاصة بالتطبيقات العسكرية والفضائية. على سبيل المثال، تُصنّع المعالجات الدقيقة التي تنتجها شركة إنتل بثلاث فئات: تجارية وصناعية وممتدة. [ 9 ]

نظرًا لأن بعض الأجهزة تولد حرارة أثناء التشغيل، فقد تتطلب إدارة حرارية لضمان بقائها ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل المحددة؛ وتحديدًا، أن تعمل عند درجة حرارة التشغيل القصوى للجهاز أو دونها. [ 10 ] يتطلب تبريد المعالج الدقيق المثبت في تكوين تجاري أو تجزئة نموذجي "مشتت حراري مثبت بشكل صحيح على المعالج، وتدفق هواء فعال عبر هيكل النظام". [ 10 ] صُممت الأنظمة لحماية المعالج من ظروف التشغيل غير العادية، مثل "درجات حرارة الهواء المحيط أعلى من المعتاد أو تعطل أحد مكونات إدارة الحرارة في النظام (مثل مروحة النظام)"، [ 10 ] مع ذلك، في "نظام مصمم بشكل صحيح، لا ينبغي أن تُفعّل هذه الميزة أبدًا". [ 10 ] قد تؤثر تقنيات التبريد وإدارة الحرارة الأخرى على الأداء ومستوى الضوضاء. [ 10 ] قد تكون هناك حاجة إلى استراتيجيات للحد من الضوضاء في التطبيقات السكنية لضمان عدم تجاوز مستوى الضوضاء حدًا مزعجًا.

يتأثر عمر البطارية وكفاءتها بدرجة حرارة التشغيل. [ 11 ] تُحدد الكفاءة بمقارنة عمر البطارية كنسبة مئوية من عمرها عند درجة حرارة 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت) مقابل درجة الحرارة. غالبًا ما يحدد كل من الحمل الأومي ودرجة حرارة التشغيل معدل تفريغ البطارية. [ 12 ] علاوة على ذلك، إذا انحرفت درجة حرارة التشغيل المتوقعة للبطارية الأساسية عن النطاق النموذجي من 10 إلى 25 درجة مئوية ( من 50 إلى 77 درجة فهرنهايت )، فإن درجة حرارة التشغيل "ستؤثر غالبًا على نوع البطارية المختارة للتطبيق". [ 13 ] وقد ثبت أن استعادة الطاقة من بطارية ثاني أكسيد الكبريت الليثيوم المستنفدة جزئيًا تتحسن عند "زيادة درجة حرارة تشغيل البطارية بشكل مناسب". [ 14 ]     

علم الأحياء

تسعى الثدييات إلى الحفاظ على درجة حرارة جسم مريحة في مختلف الظروف من خلال تنظيم الحرارة ، وهو جزء من التوازن الداخلي للثدييات . وتُسجّل أدنى درجة حرارة طبيعية للثدييات، وهي درجة حرارة الجسم الأساسية ، أثناء النوم. أما عند النساء، فتتأثر هذه الدرجة بعملية الإباضة، مما يُسبب نمطًا ثنائي الطور يُمكن استخدامه كعنصر من عناصر تحديد الخصوبة .

في البشر، ينظم الوطاء عملية الأيض ، وبالتالي معدل الأيض الأساسي . ومن بين وظائفه تنظيم درجة حرارة الجسم. وتُعد درجة حرارة الجسم الأساسية أيضًا أحد المؤشرات الكلاسيكية لقياس توقيت الإيقاع اليومي للفرد . [ 15 ]

قد تُسبب التغيرات في درجة حرارة الجسم الطبيعية شعورًا بعدم الراحة. وأكثر هذه التغيرات شيوعًا هو الحمى ، وهي ارتفاع مؤقت في درجة حرارة الجسم المنظمة، عادةً بمقدار 1-2 درجة مئوية (1.8-3.6 درجة فهرنهايت) . فرط الحرارة حالة حادة ناتجة عن امتصاص الجسم حرارة أكثر مما يستطيع تبديده، بينما انخفاض الحرارة حالة تنخفض فيها درجة حرارة الجسم الأساسية عن المستوى المطلوب لعمليات الأيض الطبيعية، وذلك بسبب عجز الجسم عن تعويض الحرارة المفقودة إلى البيئة. [ 16 ]  

ملحوظات

  1. ↑ "Cactus Technologies - أسواق تخزين الفلاش التجارية والصناعية" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2020-06-02.
  2. ↑ "أشباه الموصلات في مجال الطيران والدفاع | ماكسيم إنتجريتد" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 4 نوفمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 مايو 2020 .
  3. 1 2 الأجهزة التناظرية .
  4. ↑ الأجهزة التناظرية ، تبديد الطاقة.
  5. ↑ فاسيغي وساشديف 2006 ، ص 32.
  6. 1 2 وزارة الدفاع الأمريكية .
  7. ↑ وزارة الدفاع الأمريكية ، القسم 2.1.1.
  8. 1 2 3 برانكو وريتشي وسكلينيتسكا 1996 .
  9. ↑ رموز تعريف تغليف معالج بنتيوم: تشير عبوات إنتل إلى نطاق درجة حرارة تشغيل المعالج من خلال تحديدها برمز: 'Q' (للاستخدام التجاري)، 'I' (للاستخدام الصناعي)، و'L' أو 'T' (للاستخدام الممتد). كما يوجد رمز خاص بالسيارات 'A'.
  10. 1 2 3 4 5 شركة إنتل .
  11. ↑ كرومبتون 2000 .
  12. ↑ كرومبتون 2000 ، ص. الشكل 30.33.
  13. ↑ كرومبتون 2000 ، ص. 2/5، القسم 2.1.
  14. ^ دوجال وجاو وجيانغ 2005 .
  15. ↑ بنلوسيف وآخرون 2005 .
  16. ↑ ماركس 2010 ، ص 1870.

مراجع

  • بنلوسيف، س.؛ غويكو، م. ج.؛ ريد، ك. ج.؛ وولف، ل. ف.؛ ليرميت-باليريو، م.؛ زي، ب. س. (2005). "استقرار الميلاتونين ودرجة الحرارة كمؤشرات للمرحلة اليومية وعلاقتهما بأوقات النوم لدى البشر". مجلة الإيقاعات البيولوجية . 20 (2). منشورات سيج: 178-188 . CiteSeerX 10.1.1.851.1161 . doi : 10.1177/0748730404273983 . ISSN 0748-7304 . PMID 15834114. S2CID 36360463 .    
  • برانكو، كارلوس مورا؛ ريتشي، روبرت O.؛ سكلينيتسكا، فاتسلاف (1996). السلوك الميكانيكي للمواد عند درجات الحرارة العالية . سبرينغر. رقم ISBN 978-0-7923-4113-0.
  • كرومبتون، توماس روي (2000). "تأثير درجة حرارة التشغيل على عمر الخدمة". كتاب مرجعي عن البطاريات . نيونس. ISBN 978-0-7506-4625-3.
  • دوغال، روبرت أ.؛ غاو، ليجون؛ جيانغ، تشنهوا (2 فبراير 2005). "تحليل فعالية استعادة الطاقة من البطاريات المستنفدة جزئيًا". مجلة مصادر الطاقة . 140 (2). دار النشر إلسيفير: 409-415 . رمز Bibcode : 2005JPS...140..409D . doi : 10.1016/j.jpowsour.2004.08.037 .
  • ماركس، جون (2010). طب الطوارئ لروزن: المفاهيم والممارسة السريرية (  الطبعة السابعة). فيلادلفيا، بنسلفانيا: موسبي/إلسيفير. ISBN 978-0-323-05472-0.
  • تيرنر، مارتن جيه إل (2009). دفع الصواريخ والمركبات الفضائية: المبادئ والتطبيق والتطورات الجديدة . كتب سبرينغر براكسيس / الهندسة الفضائية. سبرينغر. ISBN 978-3-540-69202-7. OCLC 475771458 . 
  • فاسغي، أرمان؛ ساشديف، مانوج (2006). الإدارة الحرارية وإدارة الطاقة للدوائر المتكاملة . الدوائر المتكاملة والأنظمة. ISBN 9780387257624.
  • "دعم مُحسّن لأجهزة درجة الحرارة" . شركة ألترا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 فبراير 2014 .
  • "المقاومات في الدوائر التناظرية" . شركة Analog Devices . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-02-2014 .
  • "معالج إنتل زيون  - الإدارة الحرارية" . شركة إنتل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 يناير 2010 .
  • "رموز تعريف تغليف معالجات إنتل بنتيوم" . شركة إنتل . 12 مايو 2004. تاريخ الاسترجاع: 27 يناير 2010 .
  • "المعيار العسكري MIL-STD-810G: معيار طريقة الاختبار لاعتبارات الهندسة البيئية والاختبارات المعملية" (ملف PDF) . وزارة الدفاع الأمريكية . 31 أكتوبر 2008. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 27 سبتمبر 2011.