TO-92 wird nicht heiß genug

Ich steuere einen DC-Lüfter mit einer AVR-MCU und bin gespannt auf die thermischen Eigenschaften eines 2N3904- NPN-Transistors, über den der Lüfter angeschlossen ist.

Lesen der Transistoren Datenblattes finde ich die folgenden Werte:

R_{θ J - EIN} = 200^{\circ} C / W

$R_{\theta J-A} = 200\text{ }^{\circ}\text{C/W}$

R_{θ J - C} = 83,3^{\circ} C / W

$R_{\theta J-C} = 83.3\text{ }^{\circ}\text{C/W}$

Ich würde erwarten, dass der Wärmewiderstand zwischen Umgebung und Gehäuse:

R_{θ C - EIN} = R_{θ J - EIN} - R_{θ J - C} = 116.7^{\circ} C / W

$R_{\theta C-A} = R_{\theta J-A} - R_{\theta J-C} = 116.7\text{ }^{\circ}\text{C/W}$

$116.7\text{ }^{\circ}\text{C/W}$

Nun lesen Sie mit meinem Multimeter die Spannung an den Ventilatorklemmen sowie den Strom, den der Lüfter aufnimmt:

V = 11.45 V

$V = 11.45\text{ V}$

EIN = 73 mA

$A = 73\text{ mA}$

Ich berechne jetzt die Temperatur des Falles, den ich erwarten sollte:

P = V \times EIN = 0,83 W

$P = V \times A = 0.83\text{ W}$

T_{C} = T_{EIN} + P \times R_{θ C - EIN} = 18 + 0,83 \times 116.7 = 114,86^{\circ} C

$T_C = T_A + P \times R_{\theta C-A} = 18 + 0.83 \times 116.7 = 114.86\text{ }^{\circ}\text{C}$

Nachdem der Lüfter mehr als 5 Minuten gelaufen ist, berühre ich den Transistor und versage kläglich dabei, mir einen Finger zu verbrennen. Die Temperatur des Gehäuses liegt vielleicht etwas über der Umgebungstemperatur, ist aber nicht warm genug, um ein heißes Gefühl in meinen Fingern zu verspüren.

Irgendwann habe ich einen großen Fehler in meinem Verständnis des thermischen Designs gemacht. Was mache ich falsch?

transistors thermal power-dissipation

— Nikola Malešević
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Gute Arbeit bildet eine zusammenhängende Frage und zeigt Ihre Arbeit.

— Matt Young

^ + 1, aber ich verstehe Ihre Argumentation für den Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Umgebung nicht. Die Leistung wird an der Verbindungsstelle abgeführt und Sie messen am Gehäuse. Verwenden Sie daher den R_j-c-Wert für Ihre Berechnung. Das Gehäuse erwärmt sich auf 83,3 ° C pro Watt Verlustleistung in der Verbindungsstelle.

— Vofa

A V_{C C}

$\small AV_{CC}$

@vofa R_j-c würde mir den Temperaturunterschied zwischen der Verbindungsstelle und dem Gehäuse geben. Das ist zwar nützlich, aber nicht das, was ich mit meinem Finger messen kann. Ich versuche, den Unterschied zwischen Gehäuse und Umgebung vorherzusagen, und er entspricht der realen Welt, wenn der vom Transistor verwendete Strom korrekt berechnet wird.

— Nikola Malešević

@SamGibson Die obige Abbildung ist sehr vereinfacht. Eigentlich verwende ich ATmega32 mit ein paar Temperatursensoren, ein paar Lüftern, serieller Kommunikation usw. Aber all dies würde das Rauschen in dieser Frage hervorrufen. Ich habe bereits Entkopplungskappen sowie eine analoge Rauschunterdrückung. Vielen Dank für den Kommentar.

— Nikola Malešević

Die 0,83 W sind die Leistung, die in den Lüfter und nicht in den Transistor fließt.

Die vom Transistor verbrauchte Leistung ist im wesentlichen der gleiche Stromwert, jedoch multipliziert mit der Spannung von C nach E, die im gesättigten Zustand wahrscheinlich nur in der Größenordnung von 200 bis 300 mV liegt. Dies würde eine Verlustleistung des Transistors von etwa 15 bis 20 mW bewirken, was zu einem Anstieg der Gehäusetemperatur um höchstens einige Grad führen würde.

— Dave Tweed
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Das macht Sinn, danke. Ich habe einen Spannungsabfall von 170 mV zwischen dem Kollektor und dem Emitter gemessen, was einem Temperaturanstieg von 1,45 Grad Celsius entspricht, der der Empfindung an meinen Fingern entspricht. Herrlich! Ist der Rest meines Denkens vernünftig?

— Nikola Malešević

Nun, bis zu einem gewissen Punkt. Ja, auf diese Weise können Wärmewiderstände addiert und subtrahiert werden. Bedenken Sie jedoch, dass der Widerstandswert von "Fall zu Umgebung" stark von Dingen wie dem Berühren des Gehäuses mit dem Finger oder sogar von der Atmung beeinflusst wird. Versuchen Sie daher, einen bestimmten Temperaturanstieg vorherzusagen Irrtümer jeglicher Art vorbehalten.

— Dave Tweed