Чем заменить старые транзисторы МП35-МП38 и МП39-МП42 на современные кремниевые аналоги

Старые германиевые транзисторы серий МП35-МП38 (n-p-n) и МП39-МП42 (p-n-p), несмотря на свою верную службу, безвозвратно ушли в прошлое. Их место занимают более современные, надежные и доступные кремниевые аналоги. Однако, простая замена "индыка на быка" не всегда возможна, особенно если речь идет о сохранении усилительных свойств и уже отлаженных режимов работы схемы, таких как напряжение насыщения.

В этой статье мы разберемся, как вместо германиевых МП35-МП38 и МП39-МП42 подобрать подходящие кремниевые транзисторы и какие особенности следует учесть при замене в различных типах схем.

Почему германиевые транзисторы прекратили выпускать?

Германиевые транзисторы имеют очень существенный недостаток — температурный предел, который раньше не был настолько критичным для производства модулей и узлов электроники. Как так? Сейчас попробую объяснить. Итак: температура плавления германия +937,2°С, а кремния +1423°С — здесь как бы ничего особенного. Но если сделать из них транзисторы, добавив туда примеси для легирования, то исходные кристаллы получат такие пределы:

· 130 – 180°С — для кремниевых полупроводниковых приборов;

· До 80°С — для германиевых транзисторов.

К тому же выводы от кристаллов германиевых переходов делают преимущественно из индия, а его предельная температура твёрдого состояния +156,6°C.

Таким образом, даже обычной пайкой можно сразу же расплавить элементы кристалла и его соединения. Почему раньше этого не происходило? Да потому что МП-шки выпускали в металлических, относительно массивных, корпусах. А выводы у них были длинными, так что при их пайке сам кристалл не перегревался.

Германиевый транзистор МП35.

К тому же у многих старых транзисторов, внутрь металлических корпусов, засыпали белый порошок — смесь оксидов кремния и цинка (SiO₂+ZnO₂). Он нужен для отвода тепла от самого кристалла. Но с новыми требованиями компактности и плотности монтажа, сравнительно габаритные и тяжёлые транзисторы стали неэффективными и дорогими. А при минимизации корпуса, особенно для технологии SMD-монтажа (крепления на поверхности дорожек печатной платы) применение германиевых приборов стало вообще невозможным.

SMD-транзисторы.

Чтобы забанить производство германиевых транзисторов, учёными был выдвинут ряд их недостатков, по сравнению с кремниевыми аналогами:

• Низкая температурная стабильность — параметры германиевых транзисторов сильно зависят от температуры, что может приводить к нестабильной работе устройства. Особенно, если оно предназначено для эксплуатации в широком диапазоне температур. Так что здесь германий уже явно отстаёт тк, что не везде его можно применить.
• Низкое напряжение пробоя — старые мезапланарные приборы не рассчитаны на высокие потенциалы, что ограничивает их применение.
• Высокий ток утечки — это приводит к потерям мощности и снижению эффективности.
• Ограниченная частотная характеристика — германиевые транзисторы уступают кремниевым, по скорости переключения, на 1–2 порядка.
• Сложность производства и высокая его стоимость — в настоящее время производство германиевых транзисторов менее распространено и более дорогостоящее.

Замена германиевых транзисторов кремниевыми

Итак, как не крути, если эти компоненты уже не используются, то придётся смириться и применять то, что есть. Причём кремниевые современные триоды показывают много лучшие результаты. А если критическим является параметр насыщения, то существуют специально разработанные компоненты, у которых эта характеристика имеет даже меньшее значение, чем у германиевых старичков.

Германий и кремний.

Описание их замены есть в прошлой моей статье.

Ключевой параметр: напряжение насыщения

При замене германиевых транзисторов на кремниевые, одним из важнейших параметров, который необходимо учитывать, является напряжение насыщения (Vce(sat)). Это минимальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое возникает, когда транзистор находится в режиме насыщения (полностью открыт).

Германиевые транзисторы, как правило, имеют более низкое напряжение насыщения (порядка 0.1-0.3 В) по сравнению с кремниевыми (0.7-1.2 В), хотя есть модели даже с меньшим значением, (от 0,2В и даже меньше, совсем как и у германиевых). Обычно, при полной открытости кремниевый транзистор будет иметь большее падение напряжения, что может повлиять на работу схемы, особенно если она чувствительна к этому параметру.

Напряжение насыщения (Vce(sat)) германиевого МП40 и кремниевого КТ315 транзисторов.

Подбор аналогов из отечественных и зарубежных кремниевых транзисторов

Для замены германиевых транзисторов МП35-МП38 и МП39-МП42 можно использовать как отечественные, так и зарубежные кремниевые транзисторы. Важно подобрать транзисторы с близкими параметрами по напряжению коллектор-эмиттер (Vce), току коллектора (Ic) и коэффициенту усиления (h21e или β).

Таблица аналогов МП35-МП42 для возможной замены.

Важно: Приведенные аналоги являются ориентировочными. Всегда сверяют с даташитами (техническими описаниями) конкретных транзисторов, чтобы убедиться в соответствии всех ключевых параметров. Особое внимание уделяют максимальному напряжению коллектор-эмиттер (Vceo) и максимальному току коллектора (Ic max), чтобы не превысить допустимые пределы в используемой схеме.

Особенности замены в схемах электронных ключей

В схемах электронных ключей, где транзистор используется для коммутации нагрузки (включения/выключения), основная задача – обеспечить максимально полное открывание транзистора при подаче управляющего сигнала и минимальное падение напряжения на нем в открытом состоянии. При этом напряжение насыщения (Vce(sat)) — это самый критичный параметр.

Если германиевый транзистор имел Vce(sat) около 0.2 В, применён кремниевый с Vce(sat) 0.7-1.2 В, то при коммутации нагрузки будет рассеиваться значительно больше мощности на самом транзисторе. Это может привести к перегреву и выходу из строя кремниевого транзистора, если он не рассчитан на такую мощность. В таких случаях необходимо:

· Выбрать кремниевые транзистор с низким Vce(sat). Для n-p-n транзисторов это могут быть серии BC547C, BC548C, 2N2222A (с соответствующим выбором буквы индекса, указывающего на улучшенные характеристики).

· Для p-n-p – BC557C, BC558C, 2N2907A. Также стоит рассмотреть Low-Vce(sat) транзисторы, специально разработанные для минимизации падения напряжения.

Также следует проверить номинал — ток коллектора (Ic max). Следует подобрать кремниевый транзистор, способный коммутировать реальный ток нагрузки. Если рассеиваемой мощности не хватает, а транзистор имеет площадку для теплоотвода, то нужно закрепить его на радиатор с использованием термопасты.

Токи транзистора.

А вот коэффициент усиления (h21e) в схемах ключей он менее критичен, чем в усилителях, но все же он бывает важен. Определённая величина его нужна для обеспечения полного насыщения при минимальном управляющем токе. Скорость переключения учитывают, если ключ используется в преобразователях или модуляторах. Впрочем, кремниевые транзисторы, обычно, шустрее германиевых, что является преимуществом в большинстве случаев.

Пример: Если старый германиевый транзистор МП37 коммутировал ток 10 мА с падением напряжения 0.2 В, то рассеиваемая мощность составляла 2 мВт. Если же заменить его на кремниевый КТ315 с Vce(sat) 0.7 В при том же токе, рассеиваемая мощность составит 7 мВт. Это может быть незначительно для малокомпонентных схем, но в более многочисленных ключах разница будет существенной. Также ещё следует проверить, достаточной ли мощностью обладает питающий каскад.

При замене транзистора в ключах бывает нужно осуществить дополнительные меры:

• Изменение базового резистора — для обеспечения полного насыщения кремниевого транзистора может потребоваться уменьшить сопротивление базового резистора, чтобы увеличить базовый ток. Это связано с тем, что для открытия кремниевого транзистора требуется большее напряжение база-эмиттер (около 0.7 В) по сравнению с германиевым (около 0.2-0.3 В).
• Теплоотвод — если рассеиваемая мощность на кремниевом транзисторе значительно возрастает, возможно, потребуется установить дополнительный теплоотвод или применить триод с большей рассеиваемой мощностью. При этом следует убедиться в достаточности мощности для его питания, если он потребляет ток через электронный ключ или трансформаторный каскад.

Особенности замены в схемах усиления аналоговых сигналов

В схемах аналоговых усилителей, таких как предварительные, УМЗЧ (усилители мощности звуковой частоты) и т.д., помимо напряжения насыщения, важно учесть и другие параметры:

• Коэффициент усиления по току (h21e или β) — эта характеристика определяет, насколько эффективно транзистор усиливает сигнал. Нужно подобрать кремниевый аналог с близким или немного большим коэффициентом усиления, чтобы сохранить общую характеристику усиления схемы. Если занизить усиление особенно в первых каскадах предварительных усилителей, то оконечный результат может получится вообще неприемлемым, сигнал может оказаться незначительным.
• Шумы — вообще-то, германиевые транзисторы, как правило, более шумные, чем кремниевые. Замена на кремниевые аналоги может улучшить шумовые характеристики схемы. Однако, для высококачественных аудиосхем существуют специальные малошумящие кремниевые транзисторы, поэтому лучше их применить. Из отечественных маломощных — КТ3102 (n-p-n) и КТ3107 (p-n-p).
• Частотные характеристики — почти все кремниевые транзисторы, обычно, имеют лучшую частотную характеристику. Но это может быть как преимуществом (расширение полосы пропускания), так и недостатком (возможность самовозбуждения на высоких частотах, если схема не была рассчитана на это).
• Температурная стабильность — кремниевые транзисторы значительно более стабильны к изменениям температуры, что упрощает температурную компенсацию в схеме, но может потребоваться некоторая корректировка (в смысле изменения самого режима работы).
• Напряжение смещения база-эмиттер (Vbe) — для германиевых транзисторов Vbe составляет около 0.2-0.3 В, для кремниевых – около 0.6-0.7 В. Это означает, что при замене компонента почти обязательно потребуется пересчет или корректировка цепей смещения (подбор базовых резисторов). Чтобы установить правильный рабочий режим (точку покоя) для кремниевого транзистора необходимо откорректировать плечо делителя входного напряжения смещения изменением сопротивления того резистора. Неправильное смещение приведет к искажениям сигнала или неработоспособности схемы. Обычно в схемах такой резистор обозначается звёздочкой. Если он стоит в плече напряжения питания, то его сопротивление уменьшают для увеличения смещения. Но если он находится в нижней цепи, ближе к нижней шине питания, то его увеличивают (такой вариант коррекции более предпочтительный).

Режимы работы транзистора.

Пример: В усилителе на германиевом транзисторе МП38, базовая цепь могла быть рассчитана на падение напряжения 0.2 В. При установке кремниевого КТ3102, которому для открытия нужно 0.6 В, транзистор может оказаться закрытым или работать в неоптимальном режиме. Необходимо будет уменьшить сопротивление базового резистора (если он там один) или изменить делитель напряжения в базовой цепи увеличением сопротивления резистора нижнего плеча. При этом следует учесть, что при уменьшении верхнего сопротивления мощность рассеиваемая транзистором может резко возрасти. А при увеличении нижнего сопротивления ток коллектора снизится, что является более эффективным.

Дополнительные меры при замене в усилителях:

• Проверка рабочего режима — после замены компонентов из разных материалов обязательно нужно проверить постоянные напряжения на коллекторе, эмиттере и базе, чтобы убедиться в том, что транзистор находится в правильном рабочем режиме.
• Коррекция цепей обратной связи — если в схеме присутствует обратная связь (а обычно она там есть), изменение коэффициента усиления или частотных характеристик транзистора может потребовать корректировки элементов обратной связи для сохранения стабильности и желаемых параметров усиления.
• Экранирование — в высокочастотных схемах, где германиевые транзисторы просто не чувствительны к наводкам, более быстрые кремниевые аналоги могут потребовать дополнительного экранирования или изменения топологии платы для предотвращения паразитных связей и самовозбуждения. Потому что МП35-МП42 имеют предельную частоту 0,5-2МГц, тогда как у КТ315, КТ361, КТ3102 и КТ3107 этот параметр доходит аж до 250-300 МГц.

Экранирование транзисторного модуля фольгой.

Общие рекомендации при замене

Самый важный шаг — это изучить даташит. Придётся внимательно изучить технические характеристики как старого германиевого транзистора, так и потенциального кремниевого аналога. Сравнивать нужно:

· Vce(max) — максимальное напряжение коллектор-эмиттер;

· Ic(max) — предельный ток коллектора;

· Ptot(max) — мощность рассеивания;

· h21e — коэффициент передачи тока (усиления транзистора по току);

· Vce(sat) — напряжение насыщения (падение напряжения на переходах транзистора в открытом его состоянии);

· Vbe — напряжение смещения между базой и эмиттером,

· fT — граничная частота усиления/переключения биполярного триода.

Для начала необходимо проверить тип проводимости. Следует убедиться, что для используемой полярности включения выбран транзистор того же типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Итак, транзисторы МП35-МП38 имеют структуру n-p-n (коллектор к плюсовому полюсу, а эмиттер к минусовому). А МП39-МП42 – p-n-p (коллектор подключается к минусовой полярности, а его эмиттер к плюсовой).

Проверка транзистора на тип проводимости.

Также следует проверить цоколевку — т.е. определить назначение выводов. Расположение выводов (база, коллектор, эмиттер) у германиевых и кремниевых транзисторов, естественно, будет отличаться. Например, у МП35-МП38 и МП39-МП42 выводы часто располагались треугольником, а у КТ315/КТ361 – в ряд. Даже транзисторы в корпусе ТО-92 (старое наименование КТ-26) могут иметь неодинаковое расположение выводов. Поэтому их конкретное назначение необходимо сверять по даташитах. При необходимости можно использовать переходники. А у КТ315 и КТ361 следует особенно аккуратно изгибать выводы, так как они очень легко отламываются у самой кромки корпуса. Так что потом использовать такого калеку уже не получится.

Возможны такие дополнительные действия при замене:

1. Если оператор не уверен в своём выборе, то лучше начать с замены в наименее критичных частях схемы. А ещё лучше всего использовать макетную плату для временных экспериментов.
2. При замене обязательно измеряют ключевые напряжения и токи в схеме. При первом включении и во время начальной работы следует проверять, не греется ли транзистор. Если при прикосновении пальца к корпусу ощущается его нагрев, то надо сразу же обесточить схему и внимательно проверить монтаж. Надо быть готовым к тому, что потребуется корректировка номиналов резисторов (особенно базовых) для установки правильного рабочего режима.
3. В электронных ключах можно (и лучше всего) использовать MOSFET. В некоторых случаях, особенно в схемах электронных ключей, где требуется очень низкое падение напряжения в открытом состоянии и высокая скорость переключения, вместо биполярных транзисторов можно рассмотреть использование полевых транзисторов (MOSFET). Они имеют очень низкое сопротивление канала в открытом состоянии (Rds(on)), что приводит к минимальным потерям мощности. Однако, их управление отличается от биполярных, так что иногда потребуется более существенная переработка схемы.
4. Не надо бояться экспериментировать! Электроника – это область, где эксперименты часто приводят к наилучшим результатам. Если столкнулись с проблемой, то можно попробовать использовать разные аналоги. При этом, не следует страшиться изменять номиналы компонентов, но, при этом, следует обязательно и внимательно анализировать результаты. Именно практика больше всего даёт реального понимания работы электронной техники, чем одна только лишь теория.

Сборка схемы на макетной плате.

Заключение

Замена старых германиевых транзисторов МП35-МП38 (n-p-n) и МП39-МП42 (p-n-p) на современные кремниевые аналоги – это не только возможность продлить жизнь старой аппаратуре, и улучшить ее характеристики. Такие практики дают мощный прорыв в понимании работы электроники и особенности её капризов. При повторении старых схем приходится делать такие замены, которые дадут образное представление функционирования схем.

Однако, грамотная замена требует внимательного подхода и учета особенностей кремниевых транзисторов. Преимущественные отличия в части напряжения насыщения и цепей смещения. Поэтому правильный подбор аналогов и, при необходимости, корректировка схемы позволят успешно модернизировать разные устройства, повторять старые проверенные временем схемы, но уже на улучшенных современных радиодеталях.