¿Por qué se calienta este transistor de conmutación?

Esto no funciona como un interruptor. En cambio, forma una fuente de corriente o un regulador de voltaje lineal (puede explicar cómo por sí mismo, pero la explicación detallada se encuentra a continuación) . De acuerdo con las notas del esquema, el voltaje entre D y S de Q2 será 12-3.0 = 9V en el peor de los casos. Si multiplica esto con la corriente de carga (ventilador), encontrará la potencia disipada ($P_D$) por Q2. Multiplicar$P_D$con$R_{th j-a}$de AO3401 que se da como min. 100 en la hoja de datos y encontrará aumento de temperatura. Esto puede explicar el calor excesivo. Puede verificar esto aplicando voltaje de entrada de control máximo (1.2V) y viendo que Q2 no se calienta.

Ahora déjame explicarte cómo funciona esto como un regulador lineal (según el esquema de tu pregunta):

1) En el momento de energizar el circuito (suponiendo que la entrada de control sea 0), la salida del comparador será 0 debido a la resistencia pull-down (R2). Entonces, la salida del comparador es baja --> Q1 está apagado --> Q2 está apagado --> Sin corriente/voltaje de carga --> El voltaje a través de R2 es cero --> La salida permanece baja.

2) Cuando se aplica el voltaje de control, el comparador intentará aumentar su salida a 12V. Cuando este voltaje de salida se acerca/alcanza el umbral Vbe de Q1 (despreciando 100R vinculado al emisor) , la resistencia CE de Q1 comienza a disminuir. Por lo tanto, el voltaje GS (es decir, la resistencia DS) de Q2 comienza a disminuir, lo que hace que aumente la corriente de carga (es decir, el voltaje de carga).

3) Este voltaje de carga se divide por 1+(R8+R3)/R2=1+90k/10k=10 y se retroalimenta a la entrada negativa del comparador ($V_{in-} = V_L/10$). Cuando este voltaje FB (es decir, el voltaje en R2) alcanza y supera el voltaje en el terminal de entrada positivo (es decir, el voltaje de control), el comparador intenta reducir su salida a 0.

4) La salida del comparador comienza a disminuir, por lo que Vbe de Q1 comienza a disminuir, lo que hace que aumente la resistencia CE y obliga a Q2 a aumentar su resistencia DS. Esto da como resultado una disminución de la corriente de carga (y, por lo tanto, del voltaje de carga). Este voltaje se divide por 10 y se retroalimenta a la entrada negativa del comparador ($V_{in-} = V_L/10$).

5) Ahora el voltaje en la entrada negativa es menor que en la entrada positiva, por lo que el comparador intentará aumentar su salida a 12V. La salida comienza a aumentar y el ciclo comienza de nuevo desde (2).

En consecuencia, el voltaje a través de la carga será 10 veces el voltaje de control:$V_L = V_{ctrl} \cdot 10$y el voltaje a través del MOSFET es$V_{DS} = 12V - V_L$. No tenemos ninguna información sobre su carga, por lo que es bastante difícil adivinar cuál es la corriente de carga. De todos modos, la potencia disipada por MOSFET será$P_D = V_{DS} \cdot I_L$.

Hice una simulación en Proteus 7. Puede descargar desde aquí y aquí hay una captura de pantalla:

(Usé LMV393 porque LM393 no está definido en Proteus, pero LMV393 es la versión de bajo voltaje de LM393).

Supongamos que su ventilador actual$I_L=50mA$@$V_L=5V$. Entonces, la disipación de energía de MOSFET será$P_D = 7V \cdot 0.05 = 0.35W$. Multiplicando esto con$R_{th(j-a)}=100$dará un aumento de temperatura de$\Delta T = 100°C/W \cdot 0.35W = 35°C$. Suponiendo que la temperatura ambiente es de 24°C, la temperatura final del MOSFET será 24+35=59°C.

Espero que esta explicación sea suficiente y útil para ti.