TO-92 não está ficando quente o suficiente

Estou controlando um ventilador DC por um AVR MCU e estou curioso sobre as características térmicas de um transistor 2N3904 NPN no qual o ventilador está conectado.

Lendo a folha de dados do transistor , encontro os seguintes valores:

R_{θ J - UMA} = 200^{\circ} C / W

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

R_{θ J - C} = 83,3^{\circ} C / W

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

Eu esperaria que a resistência térmica entre o ambiente e o gabinete fosse:

R_{θ C - UMA} = R_{θ J - UMA} - R_{θ J - C} = 116,7^{\circ} C / W

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

Ou seja, eu esperaria que o gabinete aumentasse acima da temperatura ambiente para cada watt de energia que é colocado no transistor. $116.7\text{ }^{\circ}\text{C/W}$

Agora, lendo a tensão nos terminais do ventilador com meu multímetro, bem como a corrente que o ventilador está consumindo:

V = 11,45 V

$V = 11.45\text{ V}$

UMA = 73 mA

$A = 73\text{ mA}$

Agora eu calculo a temperatura do caso que devo esperar:

P = V \times UMA = 0,83 W

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

T_{C} = T_{UMA} + P \times R_{θ C - UMA} = 18 + 0,83 \times 116,7 = 114,86^{\circ} C

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

Depois de ter o ventilador ligado por mais de 5 minutos, procuro tocar no transistor e falho miseravelmente ao queimar meu dedo. A temperatura do estojo talvez esteja um pouco acima do ambiente, mas não quente o suficiente para sentir qualquer sensação de calor nos dedos.

Em algum lugar ao longo da linha, cometi um grande erro na minha compreensão do design térmico. O que estou fazendo de errado?

transistors thermal power-dissipation

— Nikola Malešević
fonte

Bom trabalho, formando uma pergunta coerente e mostrando seu trabalho.

— Matt Young

^ + 1, mas não entendo o seu raciocínio para a resistência térmica "caso ao ambiente". A energia é dissipada na junção e você está medindo no caso, portanto, você deve usar o valor R_j-c em seu cálculo. O gabinete aquece 83,3 ° C por Watt dissipado na junção.

— vofa

Embora não relacionado à sua pergunta, FYI, o diagrama de fiação mostra que existem requisitos ausentes para uma operação confiável do ATmega, por exemplo, falta de conexão no pino 20 (mesmo quando o ADC não é usado), falta de conexão Gnd no pino 22 ( ambas as conexões Gnd devem ser usadas), falta de capacitor de desacoplamento próximo ao MCU, etc. Todos esses detalhes ausentes podem causar operação não confiável, dependendo de outros fatores, por exemplo, requisitos de corrente GPIO para fonte / fonte externa, ruído no trilho de alimentação, etc. etc. Leia as folhas de dados do MCU e pesquise "breadboard Arduino" para obter mais informações.

A V_{C C}

$\small AV_{CC}$

— SamGibson

@vofa R_j-c me daria a diferença de temperatura entre a junção e o gabinete. Embora isso seja útil, não é o que eu posso medir com o dedo. O que estou fazendo é tentar prever a diferença entre o gabinete e o ambiente, e ele combina com o mundo real ao calcular corretamente a energia usada pelo transistor.

— Nikola Malešević

@ SamGibson A figura acima é muito simplificada. Na verdade, estou usando o ATmega32 com dois sensores de temperatura, dois ventiladores, comunicação serial, etc. Mas tudo isso traria barulho nesta questão. Já tenho capas de desacoplamento, além de cancelamento de ruído analógico. Obrigado pelo comentário, no entanto.

— Nikola Malešević

Os 0,83 W são a potência que entra no ventilador, não no transistor.

A potência dissipada pelo transistor é essencialmente o mesmo valor de corrente, mas multiplicada pela tensão de C a E, que provavelmente é da ordem de 200 a 300 mV quando saturada. Isso tornaria a dissipação do transistor algo em torno de 15-20 mW, o que aumentará a temperatura de apenas alguns graus no caso.

— Dave Tweed
fonte

Isso faz sentido, obrigado. Eu medi uma queda de tensão de 170 mV entre o coletor e o emissor, dando-me 1,45 graus Celsius de aumento de temperatura, combinando com a sensação nos meus dedos. Esplêndido! O resto do meu raciocínio está correto?

— Nikola Malešević

Bem, até certo ponto. Sim, é válido adicionar e subtrair resistências térmicas dessa maneira. No entanto, lembre-se de que o valor da resistência "caso ao ambiente" é fortemente influenciado por coisas como tocar o caso com o dedo ou até o quanto você está respirando nele, portanto, tentar prever um aumento de temperatura específico será sujeito a todos os tipos de erros.

— Dave Tweed