Для тех, кто хочет сделать что-нибудь на транзисторах, а вовсе
не для тех, кто всю жизнь только этим и был занят. Им тут ничего нового не светит. Эта заметка для тех, кто намеревается сделать первое устройство, но есть доля неуверенности во всем. У меня это был радиоприемник "москва" В.Плотникова. Почему-то сгорали транзисторы П401А, если верно помню название. Почему они сгорали, теперь я не вспомню, помню только, что было жалко. Магазин далеко, денег мало. Думал похвастаться в школе, оказалось - не чем. Обидно, понимаешь. Теперь, глядя на схему, могу заранее предположить, что произойдет.
Все когда-то делаем первый раз. Для развития крепкой памяти нет ничего лучше шишек от граблей, оставленных в темном чулане. Хочу покрасить для некоторых из вас грабли фосфором. Задача, конечно же, в полной мере не выполнимая. Вряд ли можно рассчитывать на то, чтобы в короткой заметке охватить необъятный материал. Но кто ничего не делает, тот и не может ошибиться. Я попробую рассмотреть материал с точки зрения любителя мастерить, у которого ресурсы ограничены и часто возникает вопрос о замене.
Транзисторов теперь навыдумывали много и хороших и разных. По размеру, а значит по количеству рассеиваемого тепла они могут быть и микромощными (бывают даже бескорпусные, размером с квадратный миллиметр) и огромной мощности в десятки и сотни ватт. Что нам дают ватты, если мы решим заменить одни транзисторы другими? Крупные транзисторы будут работать на месте мелких, если поместятся туда по размеру. Наоборот никак. Мелкие расплавятся на месте крупных.
По частоте усиливаемых сигналов транзисторы можно разделить на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. Частоты указать точно не получится, эти диапазоны достаточно условны. Например, до сотен килогерц можно считать транзисторы низкочастотными (НЧ), до сотен мегагерц - высокочастотными (ВЧ), далее от гигагерц и выше - сверхвысокочастотными (СВЧ). Можно ли заменить низкочастотные транзисторы высокочастотными? Ответ - да, но тут уже начнутся оговорки. ВЧ транзисторы (в меньшей мере) и особенно СВЧ транзисторы могут породить генерацию на частотах, не свойственных НЧ транзисторам. Устройство ваше может превратиться в радиопередатчик, о чем вы даже не будете подозревать, а соседи смогут принимать сигналы от вас, если спектр попадет в диапазон частот телевизора или радиоприемника. Но бывают и ситуации, когда подозревать неладное придется сразу. Если ваше устройство ничего особого не делает (не усиливает, не переключает) но вдруг начало потреблять большой ток, а транзисторы вдруг начали перегреваться, значит они работают, но не так как вы хотите - возникла генерация за пределами рабочих частот. Она может созвать помехи радио- и телеприемникам, получающим сигнал из эфира. Можно ли заменить более высокочастотные транзисторы на менее высокочастотные? В общем случае - нет. Бывают ситуации, когда автор проекта перебдел и заложил в проект излишний запас по частоте, но это исключение из правила. Замена такого транзистора на транзистор из соседнего диапазона частот может привести к существенному ухудшению работы всего устройства. Так что ответ - НЕТ.
По материалам, из которых транзисторы изготовлены, они делятся на германиевые, кремниевые, а теперь еще и из соединений мышьяка или азота с галлием (арсенид-галлиевые, нитрид-галлиевые ). Что нам дает знание о материале? Почти ничего. Можно, правдв, отметить, что германиевые транзисторы сильнее изменяют свои параметры под действием температуры, чем кремниевые. Арсенид-галлиевые обычно дороже и используются в приборах для усиления очень высоких частот (сантиметровый и миллиметровый диапазоны частот). Можно заменить одни другими? Да, но с учетом сведений, приведенных выше и обязательно обратите внимание на то, предусмотрена ли температурная компенсация параметров схемы. Позднее попробуем показать, куда надо смотреть.
По управляющему параметру транзисторы делят на биполярные и полевые. Графическое представление различных типов транзисторов приведено на рис.1. Биполярные транзисторы управляются током (рис.1А,B) протекающим через p-n переход эмиттер-база. Если их проверять омметром, то окажется, что проводимости в направлении база-эмиттер и база-коллектор (показано красным цветом) очень похожи. В обратную сторону проводимости нет. Этим приемом часто пользуются для определения исправности транзисторов внутри схемы. Способ работает не всегда потому, что цепь базы бывает зашунтирована низким (десятки ом) резистором или защитным диодом, включенным в противоположном направлении.
Рис.1. Графические обозначения наиболее массовых транзисторов
Полевые транзисторы (рис.1C,D,E,F) управляются напряжением, подаваемым на затвор, при этом ток через затвор не течет. Тут уместно будет сделать важное уточнение, как только зашла речь о напряжении и токе затвора. Да, тока через затвор нет в том смысле, что затвор постоянный ток не проводит. Его надо рассматривать как конденсатор, накапливающий заряд. Поэтому, когда говорят о параметрах полевых транзисторов, кроме напряжения на затворе рассматривают еще и его емкость. Чем она больше, тем больше энергии потребуется для управления работой полевого транзистора. В начале вашей практики, если не идет речь о мощных коммутационных схемах, на зарядо-разрядные характеристики затворов можете не обращать внимания. Если вам сразу потребуется подобрать замену полевому транзистору, работающему в режиме ключа, обращайте внимание на граничную частоту усиления, напряжение на затворе, открывающее транзистор, емкость затвора, сопротивление открытого канала и рассеиваемую мощность. Эти параметры должны быть как можно более похожи.
По направлению управляющего тока или напряжения биполярные и полевые транзисторы делятся следующим сходным образом. Биполярные транзисторы делятся на n-p-n (рис.1А) у которых эмиттер соединяют с минусом а коллектор с плюсом источника питания и транзисторы p-n-p (рис.1B), подключаемые к источнику питания наоборот. Полевые транзисторы бывают с каналами N- типа и P- типа. N- канальные транзисторы подключают к источникам питания так же, как n-p-n биполярные транзисторы (рис.1С,Е), а P- канальные, как биполярные p-n-p (рис.1.D,F). Диоды, присутствующие на условных обозначениях некоторых полевых транзисторов (рис.1E,F) называют паразитными. Это издержки технологии их изготовления. Иногда они могут выполнить полезную работу, но чаще они либо бесполезны, либо приносят вред.
Среди полевых транзисторов дополнительно различают транзисторы с p-n переходом (рис.1С,D) и с изолированным затвором рис.1E,F). Обратите особое внимание на способы управления полевыми транзисторами с p-n переходом. Напряжение на затворе этих транзисторов должно быть более отрицательным, чем на истоке для N-канальных транзисторов (рис.1.С), и более положительным чем на истоке для P-канальных транзисторов. Чтобы обеспечить условия их работы в усилительном режиме без дополнительной батареи смещения, используют прием, известный со времен использования радиоламп. Он заключается в применении резисторов автоматического смещения, которые ранее устанавливались в цепь катода радиоламп. Тут они установлены в цепи истока, а затвор транзисторов соединен с общим проводом с помощью так называемых резисторов "утечки" (рис.1С',D'). Резисторы утечки обычно имеют очень большое сопротивление, сотни килоом или даже мегомы, чтобы не влиять на усиливаемый сигнал. Чтобы не терять усиление, резисторы в цепи истока блокируют конденсаторами. Их емкость выбирается исходя из полосы рабочих частот устройства. Этим устраняется влияние отрицательной обратной связи по переменному току. Заметим, что применяют резисторы в цепях эмиттера (истока) еще и для того, чтобы частично компенсировать изменение электрических параметров транзисторов от температуры.
Важное замечание. Заряд на затворе может храниться очень долго, поэтому канал транзистора может оставаться как в открытом как и запертом состоянии неопределенно долго, если этот заряд не стечет с затвора на исток по какой-либо проводящей среде.
А любой ли полевой транзистор можно заменить другим? В общем случае ответ отрицательный. Полевые транзисторы с изолированным затвором при отсутствии заряда в затворе ток через канал не проводят. Полевые транзисторы p-n переходом наоборот, проводят ток через канал. Чтобы их запереть, требуется подать на затвор напряжение (мы помним, что если быть точными, надо послать туда заряд). Полярность зависит от типа канала, о чем было упомянуто выше. Здесь уместно заметить о том, что среди транзисторов с изолированным затвором тоже есть подклассы, различаемые по типу канала (встроенный/индуцированный). На рис.1 E, F приведены схемы управления транзисторами с индуцированным каналом. Транзисторы со встроенным каналом применяются реже, поэтому останавливаться на них не будем, лишь отметим, что в характеристиках транзисторов со встроенным каналом и транзисторов с p-n переходом можно найти общие черты. На последок упомянем и о том, что существуют транзисторы с двумя затворами. Они используются в устройствах для прямого детектирования, перемножения частот и управления одним сигналом амплитудой другого сигнала (модуляции).
Заменить транзистор с каналом n- типа на транзистор с каналом p- типа не получится. У них напряжения на затворах, отпирающих и запирающих каналы, противоположны. Часто возникает ситуация, когда указанный в схеме транзистор отсутствует. Для оценки возможности замены транзисторов однотипной проводимости надо сравнить: - мощность рассеивания тепла; - напряжение отпирания канала ( замена должна иметь равное или меньшее напряжение отпирания канала); - частотные характеристики (замена должна иметь равные или лучшие характеристики по граничной частоте усиления или по скорости включения/выключения), а для скоростных переключающих схем требуется еще сравнить и емкость затвора.Чем меньше емкость затвора, тем лучше. От этого будет зависеть, откроется ли полностью канал или может понадобиться драйвер затвора ( не приведи господь.) Еще один важнейший параметр - сопротивление канала в открытом состоянии. Именно этот параметр иногда является ключевым. Чем этот параметр меньше тем всегда лучше.
Теперь зададимся вопросом, который обычно не задают. Можно ли заменить в электрической схеме биполярный транзистор полевым и наоборот? Вспомним, что биполярные транзисторы управляются током? а полевые - напряжением. Встречаются схемы на биполярных транзисторах, которые рассчитаны на усиление переменного тока, где для pnp/npn транзистора задают начальный ток базы резисторным делителем напряжения. В таких схемах эмиттерные цепи часто содержат резистор для компенсации температурной нестабильности и блокировочный конденсатор для обеспечения беспрепятственного прохождения переменной составляющей эмиттерного тока. Способ напоминает задание рабочей точки полевого транзистора с управляющим p-n переходом или встроенным каналом (рис. 2). На рисунке представлена схема задания рабочей точки для полевого N-канального транзистора и NPN биполярного транзистора, он справа. Это чисто внешнее сходство.
Рис.2. Сравнение схем включения N-fet и NPN транзистора.
В одном случае из ста может произойти чудо, но рассчитывать на это не надо. Мощность, требуемая для управления полевым транзистором существенно меньше той, что требуется биполярным транзисторам. Поэтому про замену полевых транзисторов биполярными в готовых, уже рассчитанных схемах, речь тем более вести не стоит. Если замена наоборот, иногда везет, чаще это работа в ключевых режимах (управление прямоугольными импульсами).
Общее замечание по заменам для всех типов транзисторов. Обращайте внимание на предельное рабочее напряжение . В сторону повышения замены допустимы. В обратную сторону в общем случае нет. Если обстоятельства вынуждают произвести замену, обратите внимание на напряжение питания узла. Замена допустима, если предельное напряжение работы транзистора на 10...20% выше напряжения питания узла, в котором производится замена. Исключение составляют транзисторы, работающие в режиме ключа на индуктивную нагрузку. ЭДС самоиндукции нагрузки в зависимости от добротности индуктора может превысить напряжение питания в три и более раз!!! Тут замены в сторону понижения рабочего напряжения не желательны. По крайней мере трехкратный запас полезно иметь. Лучше - четырехкратный.
Общее замечание по правилам обращения с транзисторами. Биполярные германиевые и кремниевые транзисторы допускают определенные вольности в обращении с ними. Накопление заряда на их электродах затруднено тем, что существует проводимость между ними всеми. Хоть иногда она мала, но существует. Этого нельзя сказать о полевых транзисторах. Они могут накапливать и держать заряд очень долго, о чем уже упоминалось выше, иногда месяцы, в зависимости от влажности в помещении. Можно удачно коснуться электрода и убрать заряд, но чаще получается наоборот. Добавили заряд, потенциал электрода вырос, превысил допустимый предел (обычно 10...15В) - и транзистор давай, до свидания (чемодан-вокзал-помойка). Если вы богатый человек и у вас есть шерстяной свитер или даже два - можете обеспечить потенциал размером в несколько киловольт. Если свитер ваш из синтетики, то можете выжать из него и десять киловольт (надо попрыгать). Работать с полевыми и СВЧ приборами надо только соблюдая правила - руку через браслет и резистор 500кОм соединить с заземлением, работать на столе с проводящим покрытием, надеть одежду из натуральных тканей, а лето жаркое придет, можно и вообще ей не пользоваться. Эти же правила предосторожности полностью относятся к работе со всеми СВЧ приборами, не только транзисторами но и диодами.
Чем более высокочастотный транзистор, тем чувствительнее он становится к разрядам статического электричества. Если мегагерцовые транзисторы некоторые специалисты не боятся брать руками, то к гигагерцовым (сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиочастот) все относятся уважительно. Да, в первую очередь из-за их цены. Их хранят в таре, обеспечивающей замкнутое состояние всех электродов. Обычно используют металлическое колечко для СМД (планарных) транзисторов, алюминиевую или металлизированную пластмассовую упаковку. Забудете про уважение - они вам этого не простят.
За границей обсуждения остались некоторые специфические типы транзисторов, таких как однопереходные транзисторы, которые широко раньше применялись построения простых генераторных схем и для управления фазой открывания тиристоров. Если заменить их нечем, то придется применить аналог - схему из двух транзисторов.
Не нашли освещения также составные и комбинированные транзисторы, смонтированные в одном корпусе (биполярный + биполярный, называемый транзистором Дарлингтона, полевой + биполярный, называемый IGBT, точнее биполярный, управляемый электрическим полем, а не током). Первые применяются не очень часто, а вторые, в основном, в специфической области, для коммутации высоких напряжений (600...1200 и более вольт). IGBT транзисторы появились не от хорошей жизни. Полевые транзисторы не могли раньше работать на высоких напряжениях. Когда они их освоят, потребность в IGBT, наверное , пропадет. На первых порах вряд-ли они вам пригодятся. Для справки: транзисторы Дарлингтона будут прозваниваться пробником, как обычные биполярные транзисторы с той разницей, что сопротивление цепи эмитер-база окажется вдвое выше того, что покажет одиночный транзистор. IGBT транзисторы со стороны затвора не покажут проводимости. Есть и транзисторы, содержащие встроенный резистор в цепи эмиттер-база. Они используются в цифровой технике.
Короткое путешествие по транзисторному зоопарку закончено. Удачи!!!