В данной статье я хочу описать, на какие критерии нужно обращать внимание при подборе замены транзисторам . Надеюсь, статья будет полезной для начинающих радиолюбителей. Постараюсь информацию изложить очень кратко, но достаточно для правильного подбора транзистора при отсутствии аналогичного.

Биполярные транзисторы.

Предлагаю оценку и подбор аналога для замены транзистора начинать с анализа схемы – частота, напряжение, ток. Начнем подбор по быстродействию транзистора, то есть рабочей частоте транзистора. При этом граничная fгр. МГц (эта та на которой его коэффициент усиления равен единице) частота транзистора должна быть больше реальной частоты на которой работает устройство, желательно, во много раз. После подбора по частоте, производим выбор по допустимой мощности, иными словами ток коллектора транзистора должен превышать максимальный ток в первичной цепи. Далее подбираем транзистор по допустимому напряжению эмиттер-коллектор, которое также должно превышать максимальное прикладываемое к транзистору напряжение в любой момент времени. Коэффициент усиления: известно, что ток коллектора у биполярного транзистора с током базы связан через параметр h21. Проще говоря, ток коллектора больше тока базы в h21. Из этого можно сделать вывод, что лучше применять транзисторы значение этого параметра у которых как можно больше. Это позволит повысить КПД за счет снижения затрат на управление транзисторами, да и потом, транзистор с большим значением этого параметра проще ввести в режим насыщения. Далее чтобы меньше мощности потерять на транзисторе (при этом он будет меньше греться), нужно чтобы его напряжение насыщения (напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии) было как можно меньше, ведь мощность выделяемая на транзисторе, равна произведению тока, протекающего через него, и падению напряжения на нем и еще, максимальная мощность рассеяния коллектора (приводится в справочнике) должна быть не меньше реально выделяемой, иначе транзистор не справится (мгновенно выйдет из строя). В статье «Транзисторы для импульсных блоков питания телевизоров. Замена» я уже описывал приемы замены транзисторов .

Полевые транзисторы.

Преимуществ перед биполярными у них много, а самое главное, цена ниже. Наиболее важные преимущества полевых транзисторов, на мой взгляд следующие:

1. Он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.
2. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.
3. Повышенная теплоустойчивость. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока.

Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число полевиков без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассиметрирования токов, что очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности.

Что касается подбора транзисторов для замены , то порядок примерно тот же самый, т е быстродействие затем мощность. Напряжение исток-сток также выбирается из тех же соображений, что и для биполярных, максимальный ток стока также выбирается с запасом, здесь это выбрать гораздо проще, т к полевые транзисторы имеют довольно большие допустимые токи стока и их разнообразие очень большое, чего не скажешь про биполярные — биполярные транзисторы с током коллектора больше 20 А, это уже редкость. Полевые транзисторы не имеют напряжения насыщения, у них есть аналогичный параметр — сопротивление открытого канала, у транзисторов с допустимым напряжением до 150 В оно составляет десятки миллиом, у более высоковольтных — омы. Чем меньше значение этого сопротивления, тем ближе параметры транзистора к идеальным и тем меньше потери. Мощность потерь (рассеяния) в открытом состоянии определяется как квадрат тока умноженный на сопротивление открытого канала. Естественно, чем меньше будет это значение, тем меньше будет транзистор греться. Аналог параметра h21 у полевого транзистора это крутизна характеристики. Этот параметр связывает между собой ток стока и напряжение на затворе, иными словами ток стока определяется как произведение напряжения на затворе и крутизны характеристики транзистора. Как правило ключевые транзисторы имеют большую крутизну характеристики. Еще у этого вида транзисторов есть так называемое порговое напряжение на затворе — это минимальное значения управляющего напряжения достаточное для введения транзистора в абсолютно открытый режим (насыщение). При подборе необходимо учитывать, чтобы минимальное напряжение на затворе не было ниже порогового, иначе вся мощность будет выделяться на транзисторе а не на нагрузке, т к он не полностью открыт. Такой режим работы, как правило, транзисторы не выдерживают — после включения выгорают с небольшой (или большой) задержкой. Параметр мощность рассеяния коллектора для биполярного транзистора имеет аналогичный для полевого — мощность рассеяния стока. Параметры абсолютно идентичны.

Активней пользуйтесь справочниками и интернетом, информации по параметрам транзисторов сейчас достаточно.

Сразу оговоримся, что речь пойдет о подборе аналогов N-канальных, "logic-level", полевых транзисторов которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. Logic-level, в данном случае, означает, что речь идет о приборах которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход Drain to Source, при приложении с затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения.

Как может выглядеть полевый транзистор

Рис.1 Корпус типа D²PAK, так же известен как TO-263-3. Встречается в основном на пожилых платах, на современных используется редко.

Рис.2 Корпус типа DPAK, так же известен как TO-252-3. Наиболее часто используется, представляет собой уменьшенный D²PAK.

Рис.3 Корпус типа SO-8. Встречается на материнских платах и видеокартах, чаще на последних. Внутри может скрываться один или два полевых транзистора.

Рис.4 SuperSO-8, оно же - TDSON-8. Отличается от SO-8 тем, что 4 вывода соединены с подложкой транзистора, что облегчает температурный режим. Характерен для продуктов фирмы Infineon. Легко заменяется на аналог в корпусе SO-8

Рис.5 IPAK. Другое название - TO-251-3. По сути - полный аналог DPAK, но с полноценной второй ногой. Такой тип транзисторов очень любит использовать фирма Интел на ряде своих плат

Рис.A Первый вариант, один N-канальный транзистор.

Рис.B Второй, два N-канальных транзистора.

Рис.C Третий, N-канальный плюс P-канальный транзисторы в одном флаконе.

Рис.D Корпус типа LFPAK или SOT669. Частный случай корпуса SO-8 с одним N-канальным транзистором, где ножки с 5"ой по 8"ю заменены на теплоотводный фланец. На данный момент замечен только на видеокартах.

Как правило на место прибора в корпусе D²PAK без проблем ставиться аналогичный но в корпусе DPAK.

При определенной сноровке можно на посадочное место под DPAK "раскорячить" D²PAK, хотя выглядеть будет не эстетично.

LFPAK естественно без проблем меняется на SO-8 с одним N-канальным транзистором, и наоборот.

В остальных случаях необходимо подбирать прибор в полностью аналогичном корпусе.

Где может использоваться полевый транзистор

Выше мы договорись что рассматриваем только подсистему питания, посему вариантов немного:

• Импульсный преобразователь напряжения.
• Линейный стабилизатор напряжения.
• Ключ в цепях коммутации напряжения.

Система маркировки полевых транзисторов

Рассмотрим оную на примере. Пускай, у нас есть 20N03. Это означает, что он рассчитан на напряжение (Vds) ~30V и ток (Id) ~20A. Буковка N означает, что это N-канальный транзистор. Но из любого правила есть исключения, так, например, фирма Infineon указывает в маркировке полевика Rds, а не максимальный ток.

IPP15 N03 Vds=30V Rds=12.6mΩ Id=42A TO220
IPB15 N03 L - Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=12.6mΩ Id=42A TO263(D²PAK)
SPI80 N03 S2L-05 - Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=5.2mΩ Id=80A TO262
NTD40 N03 R - On Semi Power MOSFET 45 Amps, 25 Volts Rds=12.6mΩ
STD10 PF06 - ST STripFET™ II Power P-channel MOSFET 60V 0.18Ω 10A IPAK/DPAK

Итак, в случае маркировки XXYZZ мы можем утверждать, что XX - или Rds, или Id Y - тип канала ZZ - Vds

Основные характеристики N-канального полевого транзистора

В общем различных параметров важных, и не очень, у полевых транзисторов много. Мы подойдем к вопросу с прикладной точки зрения и ограничимся рассмотрением необходимых нам практически параметров.

• Vds - Drain to Source Voltage - максимальное напряжение сток-исток.
• Vgs - Gate to Source Voltage - максимальное напряжение затвор-исток.
• Id - Drain Current - максимальный ток стока.
• Vgs(th) - Gate to Source Threshold Voltage - пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток.
• Rds(on) - Drain to Source On Resistance - сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии.
• Q(tot) - Total Gate Charge - полный заряд затвора.

Хочу обратить внимание что параметр Rds(on) может указываться при разных напряжениях затвор-исток, как правило это 10 и 4.5 вольта, это важная особенность которую нужно обязательно учитывать.

Степень критичности параметров в разных применениях

• Vds, Vgs - параметры всегда учитываемые, т.к. если если их превысить транзистор выходит из строя. Должен быть больше либо равен аналогичному параметру заменяемого прибора. В случае работы в импульсном преобразователе не стоит использовать приборы с запасом по рабочему напряжению более чем в 2-2.5 раза, т.к. приборы с большим рабочим напряжением, как правило, имеют худшие скоростные характеристики.

• Id - параметр важный только в импульсном преобразователе, т.к. в остальных случаях ток крайне редко превышает 10% от номинального даже не слишком мощных приборов. Должен быть больше либо равен аналогичному параметру заменяемого прибора в случае с импульсным преобразователем, и быть не меньше 10 ампер в остальных случаях.

• Vgs(th) - имеет, некоторое, значение при работе в линейном стабилизаторе, т.к. только там транзистор работает в активном, а не ключевом, режиме. Хотя практически logic-level полевых транзисторов которые могут не подойти по этому параметру не выпускается. Данный параметр критичен для линейных стабилизаторов, где в качестве управляющего элемента используется TL431 с питанием от +5В (к примеру, такая схема часто используется в линейных стабилизаторах напряжения на видеокартах)

• Rds(on) - от этого параметра прямо-пропорционально зависит нагрев транзистора работающего в ключевом режиме, при прохождении тока через открытый канал. В данном случае чем меньше - тем лучше . ВНИМАНИЕ не следует забывать что защита от токовой перегрузки и КЗ ШИМ серий HIP63** и некоторых других исползует Rds(on) нижнего ключей (те что с дросселя на землю) в качестве датчика тока-зачителное его изменение изменит ток защиты и либо защита по току-будет работать раньше чем надо-результат просадки питания на пиках нагрузки-либо ток КЗ столь велик что убьет ключи раньше чем мама отключит БП снятием PW-ON поэтому строго говоря надо еще и Risen у шимки поменять(но это никто обычно не делает!)

• Q(tot) - влияет на время перезаряда затвора, и соотвественно способно затягивать открытия и закрытия транзистора. Опять же чем меньше - тем лучше .

Документ от Fairchild Selection of MOSFETs in Switch Mode DC-DC Converters - рекомендации по подбору (а значит и замене) MOSFETs.

• 284496 просмотров

За изобретение этого компонента учёные-физики получили Нобелевскую премию, благодаря чему была совершена революция в появлении интегральных схем и компьютеров. Транзисторы используют для управления током в электрической цепи. Они могут усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Для увеличения выходного тока и напряжения эти приборы применяют в области цифровой связи, в процессорах, цифровой технике. Используют полевые (униполярные) и биполярные приборы.

Транзисторы различаются по частоте (низко- и высокочастотные), по мощности, по материалам (германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые, получаемые путём соединени галлия и мышьяка). В матрицах дисплеев на данный момент используют приборы на основе прозрачных полупроводников, предполагается в скором времени применять полупроводниковые полимеры.

У радиолюбителей иногда возникают трудности с заменой зарубежных, в частности японских, транзисторов. В бытовой технике используется большое количество различных приборов полупроводникового типа. Больше всего производят биполярных транзисторов (обратной и прямой проводимости). Их выпускает электронная промышленность в странах Северной Америки, Европы и Япония. На корпусах приборов можно встретить маркировку, одинаковую для Японии и Южной Кореи.

В зависимости от сложности предстоящего ремонта аппаратуры, можно рассмотреть общие подходы к замене транзисторов. В первом случае на корпусе транзистора есть маркировка, по которой определяется его тип, и этот прибор можно приобрести по небольшой цене на обычном рынке радиоприборов. В более сложном случае тип прибора легко определить, но трудно приобрести в силу дороговизны или отсутствия на отечественном рынке. В сложных случаях не возможно определить тип прибора или отсутствует инструкция по его эксплуатации.

Трудность заключается в том, что зачастую приходится заменять мощные импульсные транзисторы зарубежного производства отечественными аналогами, которые не всегда соответствуют всем необходимым параметрам. Например, трудно подобрать прибор в компактных корпусах и корпусах, сделанных из пластмассы, пластика. Но с лёгкостью можно подобрать отечественную замену приборам типа ТО-3 в металлическом корпусе. Важно учитывать размеры прибора, они должны совпадать.

Правильная замена прибора происходит при соблюдении соответствия изоляции двух вариантов (поломанного и купленного), способ соединения коллектора с пластиной корпуса, которая отводит тепло.

Если прибор, требующий замены, снабжён корпусом, обеспечивающим изоляцию, а его аналог имеет лишь в креплении пластиковую втулку, то устанавливаем для защиты прокладку из фторопласта или слюды. Фторопластом делают первичную обмотку высоковольтных проводов благодаря высокой способности к изоляции тока. Может понадобиться изолировать винт крепления, если нет изоляции втулки. Важно помнить при замене прибора, что транзисторы в металлическом корпусе лучше выполняют теплоотвод, чем их аналоги в пластмассовом корпусе.

При замене прибора вначале определитесь, какие параметры наиболее важны для данной техники, и руководствуйтесь ими в выборе заменителя. Для этого нужно иметь конкретные представления о схемах и параметрах включении транзистора. В ремонте чаще всего приходится заменять приборы для бытовой техники, видеомагнитофонов, телевизоров (выходные каскады импульсных блоков питания).

Для бытовой техники лучше всего подходят высокочастотные транзисторы . По указаниям на приборе можно определить, как изолирован корпус, насколько шумно работает прибор, где его использовать (например, для средств связи применяют тип G). Но в приборах со встроенными резисторами, диодами и прочими модификациями маркировка может отличаться от общепринятой. Так фирмы NEC и TOSHIBA имеют собственные обозначения высоко- и низкочастотных транзисторов.

Поломка полупроводникового прибора может произойти из-за перегрузок, колебаний напряжения в сети. Поэтому нужно искать замену с защитными резисторами, диодами, учитывать уровень сопротивления. Чтобы корпус не перегревался и не произошла повторная поломка, нужен быстродействующий прибор.

Когда заменяем транзистор, нужно учесть коэффициент передачи по току, рабочее напряжение на коллекторе прибора. Желательно, чтобы замена не была худшего качества, чем оригинал. Или включить параллельно несколько приборов меньшей мощности, но одного типа. При ошибке в установке аналога может происходить перегревание системы.

Полевые транзисторы заменить труднее, нежели биполярные. Их разновидностей меньше, а параметры значительно различаются. Выделяют два основных типа: с изолированным затвором и с р-n переходом. На этих приборах базируется вся современная цифровая техника. Их изготавливают на кристаллах кремния и применяют для построения схем процессора, памяти, логики. Однако кремниевые транзисторы обычно не работают при напряжениях выше 1 000 вольт.