Часто так получается, что при сборке схемы, авторы не указывают аналоги транзисторов или их перечень очень скудный, поэтому возникает необходимость найти подходящий. Также во время ремонта бывает, что нужна замена треногого наполовинупроводника.
Точно такой же модели может не быть под рукой или вообще в хозяйстве. Приходится заказывать, хотя очень даже подходящая замена пылится на полочках или в коробочках, не дождавшись своего звёздного часа быть использованной.
Статья ориентирована помочь в выборе подходящего аналога транзистора по основным и второстепенным его параметрам.
Классификация транзисторов
Полупроводниковые триоды делятся на типы, в каждом из которых есть 2 разных вида полярности. К примеру, биполярные транзисторы бывают:
· n-p-n-структуры, у которых силовая цепь имеет отрицательную полярность эмиттера (подключается к минусу), а коллектора — положительную (к плюсу);
· p-n-p-структуры с противоположной полярностью всех переходов.
При этом, нельзя делать взаимозамену транзистора транзисторами разной структуры, разве что со сменой полярности питания и противоположным включением всех полярных компонентов, включая оксидных конденсаторов. Понятно, что в сложных схемах такое неэффективно или даже невозможно.
Существует понятие, как комплементарная пара — это когда транзисторы противоположной структуры (p-n-p и n-p-n) имеют все остальные электрические свойства максимально идентичными. Даже по параметру h21э (рассмотрено ниже, только для биполярных транзисторов, полевики им не характеризуются). Для определения усилительных свойств полевых триодов используют крутизну передаточной характеристики. У комплементарной пары полевых транзисторов она должна быть максимально близкой. Для каждого прибора её измеряют индивидуально.
Только вот P-канальные транзисторы не могут достичь такой же эффективности параметров, что и N-канальные. Связано это с разницей в итоговых свойствах при легировании разных зон полупроводника разными примесями. На данное время в существующих технологиях, преимущество остаётся у транзисторов с истоком на минусовой шине питания, добешь с каналом N-типа.
Биполярные транзисторы классифицируются по мощности и частоте. При замене необходимо, чтобы аналог имел запас значений этих параметров. И не самих характеристик меняемого триода, а реальных максимально возможных значений мощности и частоты, на которых будет работать заменённый компонент.
Совместимые свойства разных видов полевых транзисторов
Есть полевые триоды N-типа (включаются силовой линией, как и трёхвыводные приборы n-p-n-типа) и P-типа (прообраз транзисторов p-n-p-структуры). Так вот, существует много видов полевиков, даже комбинированных с биполярными триодами. Разные виды — это когда их структуры отличаются модификацией. Есть транзисторы со встроенным или индуцированным каналом либо с изолированным затвором и так далее.
Внимание: Замена транзисторов разного вида возможна, однако она сопровождается изменением номиналов элементов обвязки и серьёзной модификацией свойств получившегося транзисторного каскада.
Например, для электронного ключа, коммутирующего реле, лампу, светодиод или другую нагрузку состояниями вкл/выкл, подходит почти любой тип не только полевого транзистора, но и биполярного. Главное, чтобы структура совпадала и предельные эксплуатационные параметры были в норме. Исключением является нагрузка с большой индуктивностью, здесь следует учитывать ещё и токи самоиндукции.
А вот, если транзистор работает в аналоговом или в динамическом режиме, то тип его лучше не менять, иначе последуют серьёзные изменения работоспособности всего электронного каскада.
Вот один из примеров полной несовместимости: в некоторых электронных ключах, также в выходных каскадах преобразователей установлены различные полевые транзисторы. Иногда задействуются JFET-транзисторы, которые при отсутствии полевого или токового воздействия на затвор, имеют высокую проводимость силовой цепи. А вот классический Mosfet-транзистор имеет закрытый силовой переход исток-сток, а открывается зарядом на затворе, относительно истока.
Но есть мосфеты с обедненным каналом depletion mode. Например, CPC3701 и им подобные, которые имеют нормально открытую силовую цепь, как и JFET-транзисторы. Закрываются все они обратным смещением затвора. Так что если по ошибке вставить не тот тип, то сразу произойдёт сгорание всего, что находится в силовой цепи этого полупроводника.
Кстати, такие компоненты могут быть установлены в дорогущих частотных преобразователях. Вставишь неподходящий ключ, даже той модели, то хорошо, если просто транзисторы будут перегреваться. А ведь могут сгореть все основные компоненты силовой цепи на первой секунде включения в сеть, вплоть до обмотки двигателя.
Конкретные значения параметров используемых транзисторов зашиваются в память микроконтроллера, управляющего их работой. Так что менять транзисторы "кулибиным" в частотниках не следует, без программной корректировки. А если кто, в том числе и я, не знает, как это сделать, то лучше не лезть туда с паяльником.
Кстати, почти все КМОП-транзисторы (полевые) «боятся» даже кратковременного превышения напряжения. Это связано с эффектом Шоттки, который сразу образует повреждение изоляционной плёнки при перенапряжении.
Пробой изначально может быть микроскопическим, так что даже прибором не всегда удаётся зарегистрировать. Позже этот дефект неминуемо проявится полным выходом из строя компонента, хорошо, если только его одного. А вот DMOSFET-транзисторы, в том числе отечественные, адекватны по цене и менее критичны к повышенным напряжениям.
Также биполярные транзисторы и комбинированные IGBT-транзисторы с изолированным затвором при электрическом пробое не повреждаются, если не произошла перегрузка по току или мощности. Поэтому их лучше использовать в каскадах с индуктивной нагрузкой, там, где перегрузки по напряжению наиболее вероятны.
Транзисторы разных материалов: как здесь искать аналоги?
На данное время распространены кремниевые транзисторы и арсенид-галлиевые. Раньше использовались германиевые, которых сейчас днём с огнём не найти, разве что в старых приборах и загашниках Алиэкспресса. Так что, если приходится найти аналог германиевого прибора, то уж точно приходится использовать кремниевый. Но почему?
Не смотря на то, что ширина запретной зоны германиевого p-n-перехода 0,72 эВ вместо 1,1 эВ и подвижность электронов лучше, чем у кремниевого, их всё ровно сейчас не применяют. Даже тот факт, что падение напряжения на германиевом прямом переходе составляет всего 0,1–0,3В (для p-n-p-структур) и 0,6–0,7В для (n-p-n), которое даёт значительный прирост энергоэффективности, не остановило разработчиков забыть об их существовании.
А всё дело в том, что германиевые транзисторы пришлось бы паять вручную, причём с высокой вероятностью брака.
Всё дело в том, что германиевый p-n-переход выдерживает всего около 80°С. А автоматический SMD-монтаж не может работать при таких ограничениях. Старые германиевые транзисторы имеют длинные выводы и металлические корпуса для теплоотвода при пайке. А их перегрев во время эксплуатации не допускается установкой оптимального режима работы.
Так что, если требуется аналог германиевого триода, придётся мудрить с каким-нибудь кремниевым, у которого небольшое напряжение падения на переходе. Например, транзистор MJE13009, n-p-n-структуры имеет этот параметр в районе 0,25В, даже при токе до 3А. Или 2SC4137 той же структуры даёт разность потенциалов на коллектор/эмиттере всего 0,2В, правда это лишь при токе до 50мА.
Мощный p-n-p-транзистор 2N5684 обладает падением напряжения в районе 0,3-0,7В. А маломощный smd-транзистор PBSS5540Z, той же структуры p-n-p, одарён напряжением насыщения 80-120мВ, даже лучше, чем германиевый «воск».
Вот ещё один кандидат – прибор структуры p-n-p, марки 2SB772, средней мощности 3A/10W с максимальным напряжением до 30В и частотой до 80МГц. Он имеет hfe=160-320. А искомое напряжение Usat=0,3В, комплементарная пара к нему (структуры n-p-n) — 2SD882.
А вот арсенид-галлиевые полупроводники кремниевым прибором лучше не заменять. Некоторые из таких триодов имеют, вообще нулевое смещение, да и работают на высоких частотных режимах. Так что этих надо менять на приборы из той-же «глины».
Замена схемотехнических аналогов
Топологические аналоги также можно использовать, если нет подходящих компонентов. Например, однопереходной транзистор, в крайнем случае, можно заменить двумя биполярными. Правда это будет, как бы из 2-мотоциклов собрать 1 велосипед. Зато изделие может стать работоспособным после такой замены, хотя и с худшими характеристиками. Впрочем, любые транзисторы и резисторы могут и не подойти, потребуется подбор марки полупроводников и номиналов сопротивлений.
Транзисторы Дарлингтона и Шиклаи почти всегда полноценно можно заменить двумя триодами. Естественно, необходим расчётливый подбор параметров первого маломощного и второго мощного триодов. Чуть ли не единственный недостаток такой рокировки — потеря компактности.
Подбор аналога транзистора по основным критическим параметрам
Искать аналог полупроводникового прибора лучше всего не по близкой их совместимости, забивая марку треножки в поисковую строку интернета, а по реальным характеристикам, исходя из действующей топологии его включения.
К примеру, такая ситуация: в схеме указан Mosfet-транзистор IRFR024N, включающий электромагнитный клапан, напряжением 24В. Аналогом вроде бы, может быть SUD50N024-06P. Однако этот транзистор имеет максимальное напряжение, всего 22В, тогда как указанный по схеме — до 55В. Лучше уже применить, какой-нибудь STD1703L, с напряжением до 30В. Хотя он в аналогах не числится. А ещё лучше использовать IRFP260 с потенциалом до 200В и большей рассеиваемой мощностью.
То есть последний тем более не аналог, но в данном случае предпочтительнее будет именно им того что предлагал автор заменить. Почему так, да потому что в схеме хоть и указано напряжение 24В, а на практике с трансформатора может идти 26-28В, а при сетевых скачках оно может зашкаливать за 30В. Так что если автор и укажет, что возможный аналог STD1703L, то в нашем случае это будет неверно. Кстати, именно так я спалил не только мосфетку, но и трансформатор с насосом на капельный полив клубники.
Так вот, напряжение — это один из важных параметров, который надо обязательно учитывать при замене марки полупроводникового компонента.
Итак, основными критическими параметрами являются:
· Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (для биполярного) или сток-исток (для полевого) — это статическая характеристика, которая выражает не только максимально допустимое напряжение питания силовой цепи транзистора, но и суммарную ЭДС (электродвижущую силу).
ВНИМАНИЕ: Для многих Mosfet-транзисторов этот параметр зависит от температуры, хотя в даташитах указывают значение для 25°С, так что при более низких температурах предел будет меньшим (!). При нагревании кристалла предельно допустимое напряжение, обычно, увеличивается.
· Максимально допустимый ток коллектор-эмиттер или сток-исток — тут всё ясно, больший, чем положено поток электронов или «дырок» расплавит канал.
· Максимально допустимая рассеиваемая мощность — если транзистор работает в режиме насыщения (в приоткрытом состоянии), то следует учитывать мощность (разность потенциалов на коллекторе/эмиттере или стоке/истоке умноженную на ток через переходы). Для теплоотвода используют радиаторы, для лучшего теплового контакта применяют термопасту.
Существует ещё такая статическая характеристика полевого транзистора, как сопротивление основного перехода в открытом состоянии. Этот параметр важен для микромощных нагрузок, когда электронный ключ работает на малом напряжении, коммутируя токи в несколько ампер или десятков ампер. Естественно, что даже небольшая разница в сопротивлении может иметь решающее значение.
Также, зная сопротивление канала в открытом состоянии, можно точнее рассчитать мощность нагрузки. Так что при замене номинала с другим сопротивлением можно подкорректировать питание каскада или изменить сопротивление нагрузки, при необходимости.
Динамические характеристики транзисторов
Емкостные и частотные параметры полевых и биполярных транзисторов сильно отличаются. В динамических схемах, особенно с полевыми триодами, следует учитывать ёмкости переходов и время включения/выключения. Иначе можно снизить энергоэффективность или вообще угробить транзистор, из-за того, что он работал на пределе скорости и перегревался поэтому. КМОП-транзисторы характеризуются:
· Временем задержки включения;
· То же, выключения;
· Время нарастания тока стока от 10% до 90% при указанном его номинале;
· То же самое, но спада.
Для биполярных транзисторов значимой является максимально допустимая частота усиливаемого сигнала.
Усилительные свойства транзисторов
Такой параметр, как h21э, для варианта включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяет коэффициент усиления по току. Он имеет величину от нескольких десятков до сотен. А у транзисторов Дарлингтона и Шиклаи этот параметр может составлять тысячи. Он определяет усилительные свойства полупроводникового прибора по постоянному току, да и переменному тоже.
Биполярные транзисторы одной марки (и даже партии) могут иметь разные значения h21э, которые нигде не указываются. Поэтому они подлежат индивидуальному измерению, при необходимости. Существует такое понятие, как комплементарная пара транзисторов — это когда основные, второстепенные статические и динамические характеристики максимально идентичны, в том числе параметр h21э, а структура транзисторов противоположная.
Для измерения усилительных свойств полевых транзисторов применяется упомянутый вышке параметр — крутизна передаточной характеристики. Она привязана к току стока. Найти этот параметр сложно даже в даташитах. Также измерить его нелегко.
Впрочем, заморачиваться по этому поводу не стоит, практических значений она имеет немного. Разве что для усилителей аналогового сигнала высокого класса. А если менять в таких усилителях неисправную деталь, то, возможно потребуются корректировки. Но если это комплементарная пара, то меняют оба транзистора на комплементарные, уже подобранные заранее, оператором или продавцом.