Zamienniki tranzystorów

Nie zawsze elektronik ma pod ręką typ tranzystora czy diody podany na schemacie. Czym go zastąpić? Czy musi to być ścisły odpowiednik? Czy można dać cokolwiek wprost z półki? Jakie parametry są najważniejsze? Które parametry są mniej ważne? Zdecydowana większość początkujących elektroników ma głęboko zakorzenione przeświadczenie, iż uszkodzony tranzystor (dioda) może być zastąpiony jedynie tranzystorem (diodą) dokładnie tego samego typu, ewentualnie ścisłym zamiennikiem podanym w katalogu. Przeświadczenie takie jest powszechne, a przy tym bardzo często błędne. W większości przypadków naprawdę nie trzeba szukać ścisłego odpowiednika.

Tranzystory

Nie znaczy to jednak, że zawsze można zastosować jakikolwiek dowolny tranzystor w miejsce innego. Trzeba zrozumieć podstawowe zależności. Podejdźmy do tego z najprostszej strony.

Z pewnością niektóre tranzystory mają większe wymiary półprzewodnikowej struktury, i to zapewne są tranzystory mocy. Inne mogą mieć jakąś specyficzną budowę wewnętrzną, na przykład wymyślny kształt obszaru bazy – to będą na przykład tranzystory wysokiej i bardzo wysokiej częstotliwości. Tu otwiera się kolejny bardzo obszerny rozdział dotyczący technologii i fizycznej budowy tranzystora. Podręczniki poświęcają temu zagadnieniu ogromnie dużo miejsca.

Przypuszczam, że takie obszerne opisy są po części odpowiedzialne za lęk przed zamiennikami. Jeśli różne firmy stosują różnorodne modyfikacje procesu technologicznego, to chyba otrzymane tak tranzystory istotnie się różnią? STOP! Nie tędy droga!

Powiem Ci szczerze, że mnie zawsze mierziły te dziesiątki stron, zawierające opisy budowy tranzystorów, przekroje złącz, warstw metalizacji, oraz tasiemcowe opisy procesów technologicznych. Elektronikowi, nawet konstruktorowi, potrzebne jest co najwyżej 10% podawanej tam wiedzy, może nawet mniej.

Cała reszta może zainteresować tylko tych, którzy zajmują się projektowaniem tranzystorów i układów scalonych, a to jest wąska grupka wysoko kwalifikowanych specjalistów. Ty przecież nie masz dostępu do informacji na temat wewnętrznej budowy konkretnego tranzystora, a nawet gdybyś rozwalił obudowę i „dokopał” się do krzemowej struktury, to i tak nic Ci to nie da. Dlatego nie przejmuj się technologią. Dla nas, praktykujących elektroników, jest istotne, że budowa wewnętrzna tranzystora znajdzie odbicie w jego modelu i parametrach. Już intuicyjnie można się domyślić, że tranzystory o dużych rozmiarach struktury generalnie będą mieć większe prądy i moce, ale też większe pojemności, a tym samym mniejsze częstotliwości maksymalne.

Z kolei tranzystory w.cz. z założenia muszą mieć małe pojemności. Jeśli nie da się po prostu zmniejszać wymiarów (np. W tranzystorach mocy w.cz.), to trzeba zastosować jakieś wymyślne sposoby, by zredukować wpływ szkodliwych czynników. Zdziwisz się, jeśli kiedyś będziesz miał okazję poznać takie sposoby. W tej chwili nie będziemy się wgłębiać w szczegóły – najważniejsze jest to, że potem ma to odbicie w poszczególnych parametrach tranzystora.

No tak, ale istnieją setki typów najzwyczajniejszych bipolarnych tranzystorów małej częstotliwości, malej mocy. Okazuje się, że ich parametry są zbliżone. Częstokroć różnice są minimalne, czasem żadne – różna jest tylko nazwa. Dlaczego wiec istnieją tysiące typów bardzo podobnych tranzystorów? Dlaczego ktoś nie zrobi porządku w tym całym bałaganie i nie zadecyduje, że odtąd ma być produkowanych, powiedzmy dziesięć, niech nawet pięćdziesiąt, typów tranzystorów?

Pomysł doskonały, jednak na przeszkodzie stoją prozaiczne realia. Ktoś kiedyś opatentował sposób produkcji poszczególnych tranzystorów. Jeśli ktoś inny chciałby produkować tranzystor o tym oznaczeniu, musi wykupić licencję i zapłacić. Między innymi dlatego wiele firm, zamiast korzystać z doświadczeń innych, woli produkować własne typy, minimalnie różniące się parametrami od dostępnych na rynku. Jest też inne istotne uzasadnienie – nowsze opracowania są lepsze od starszych. Z kolei starsze typy są od lat znane i popularne…

Nie ma więc szans na to, by zdecydowanie ograniczyć liczbę dostępnych typów tranzystorów. Na rynku były i będą nadal liczne typy tranzystorów o zbliżonych parametrach, różniące się przede wszystkim oznaczeniem.

Na marginesie należałoby wspomnieć, że globalna produkcja niektórych typów, na przykład BC548 jest ogromna, natomiast innych – znikoma. W katalogu tego nie widać – wszystkie typy zajmują w zbiorczym katalogu po jednej linijce tekstu. Poza tym, wiele typów opisanych w katalogu już dawno wycofano z produkcji. Nie ma żadnych szans na ich zdobycie, a dane są tylko dla porównania, żeby dobrać odpowiednik.

Co jest ważne w tranzystorach?

I tu pomału dochodzimy do sedna sprawy. Niektórzy nieświadomi elektronicy błędnie uważają, że w tranzystorze duże znaczenie mają: obudowa, zastosowana technologia produkcji i wynikająca stąd budowa wewnętrzna oraz oznaczenie. Niewiele to ma wspólnego z prawdą. Jak się słusznie domyślasz, tranzystory mogą mieć zupełnie inną budowę, ale jeśli parametry najważniejsze dla

Danego zastosowania są zbliżone, to można je bez obaw stosować wymiennie.

Nie ma tu nic z magii – wszystko znajduje odbicie w parametrach, podawanych w katalogach, i tak naprawdę tylko one mają znaczenie. Nie gra większej roli ani obudowa, ani oznaczenie, ani to, kto jest producentem.

Nie znaczy to jednak, że zawsze można zastosować pierwszy lepszy tranzystor. Trzeba trochę pomyśleć.

Można tu rozróżnić następujące przypadki:

1. Zupełnie nie wiadomo, co to za tranzystor; nie można rozszyfrować oznaczenia lub takiego oznaczenia nie ma (na przykład tranzystor eksplodował).

2.  W katalogu daje się zidentyfikować tranzystor, ale nigdzie nie można go kupić.

3. Daje się zidentyfikować; jest w katalogu firmy wysyłkowej, ale bardzo drogi; taki zakup to kłopot oraz strata czasu i pieniędzy – może uda się go zastąpić czymś, co jest pod ręką.

Rzeczywiście, często problem polega na tym, że oryginalny tranzystor uległ zupełnemu uszkodzeniu i nie wiadomo nawet, czy był to zwykły tranzystor bipolarny, darlington, czy MOSFET, i jaką miał polaryzację. Trzeba spróbować to ustalić rozrysowując układ „z natury”. Konfiguracja współpracujących elementów, zwłaszcza w obwodzie bazy (bramki) pozwoli znaleźć odpowiedź.

Oczywiście wymaga to pewnej wiedzy ogólnej; trudno podać szczegółowe recepty. Generalnie w układach z tranzystorami bipolarnymi w obwodzie bazy występują rezystory lub inne elementy ograniczające prąd. W przypadku MOSFET-ów takich rezystorów nie ma, a obwód sterujący ma niewielką rezystancję wewnętrzną.

Pewne utrudnienie stwarzają tranzystory w układzie Darlingtona. Obwody sterujące nimi są podobne jak obwody sterujące zwykłymi tranzystorami. Jedynie ich wydajność prądowa jest mniejsza ze względu na duże wzmocnienie. Z uwagi na istotne różnice, zwłaszcza szybkość i wzmocnienie, nie powinno się zastępować zwykłych tranzystorów„darlingtonami (i na odwrót).

Zazwyczaj nie można zastąpić tak po prostu tranzystora bipolarnego MOSFET-em – choć jest to możliwe, a czasem nawet celowe. Zwykle trzeba wtedy zmodyfikować obwody sterujące, a to już wymaga pewnej wiedzy. Zamiana w drugą stronę – MOSFET-a na tranzystor bipolarny nie ma sensu.

Nie można też oczywiście zastąpić tranzystora NPN tranzystorem PNP i na odwrót, bez istotnych zmian w układzie. To samo dotyczy MOSFET-ów z kanałem N i P.

Parametry tranzystora bipolarnego

Od dawna wiesz, że podstawowe parametry tranzystora bipolarnego to maksymalne napięcie kolektor-emiter, prąd kolektora, moc strat i wzmocnienie prądowe. Odpowiednik nie powinien być gorszy. W dobrze zaprojektowanym układzie wzmocnienie tranzystora nie powinno mieć istotnego wpływu na funkcjonowanie i parametry. Oczywiście w ogromnej większości przypadków zastosowanie zamiennika o większym współczynniku wzmocnienia prądowego nie zaszkodzi. Jedynie w rzadkich przypadkach, gdy uszkodzony tranzystor był z grupy selekcjonowanej, wzmocnienie może być istotne.

A może wpadłeś na genialny pomysł, by na wszelki wypadek w miejsce nieznanego, uszkodzonego tranzystora dać coś znacznie lepszego – konkretnie wysokonapięciowy tranzystor lub nawet darlingtona dużej mocy.

Czy zawsze można dać większy tranzystor (mocy) zamiast mniejszego? Na pierwszy rzut oka jest to logiczne. Ale tylko na pierwszy rzut oka. Byłby to bardzo ryzykowny sposób i nie polecam Ci go. Generalnie zamiennik może mieć moc większą, ale bez przesady. Tranzystory mocy zazwyczaj mają nieduże wzmocnienie i mniejszą szybkość. Darlington ma podwojone napięcie przewodzenia Ube, jest bardzo powolny i na pewno nie nadaje się do szybkich układów impulsowych.

Duże obawy budzi u początkujących dopuszczalny zakres temperatur pracy. W praktyce okazuje się, że nie jest to wcale wielki problem – tranzystory (i układy scalone) śmiało mogą pracować w temperaturach niższych niż podaje katalog. W razie potrzeby tanie tranzystory do sprzętu powszechnego użytku mogą też pracować w bardziej wymagających zastosowaniach, jak układy samochodowe, alarmy, automatyka przemysłowa, a tym bardziej zabawki czy zasilacze. Pogorszeniu może ulec tylko niezawodność.

Jak uważasz, czy tranzystor bardzo wysokiej częstotliwości można zastosować w obwodzie m.cz.? Może się zdziwisz – zazwyczaj TAK, choć nie ma to specjalnego sensu. A czy tranzystor impulsowy można zastosować w obwodzie m.cz? Jak najbardziej! Także tak zwane tranzystory m.cz. Mogą być stosowane w wielu obwodach w.cz. Bo ich częstotliwość graniczna sięga 200…500mhz. Większe będą jednak szumy. Ostrożnie natomiast ze stosowaniem tranzystorów m.cz. W jakichkolwiek bardzo szybkich układach impulsowych.

W przypadku MOSFET-ów takich podziałów nie ma. Jeśli zamiennik ma odpowiednie napięcie pracy, prąd i rezystancję w stanie otwarcia, można go śmiało zastosować.

Tyle o zamiennikach dla nieznanych typów tranzystorów.

Jeśli natomiast typ tranzystora, który uległ uszkodzeniu jest znany, ale nie można go kupić, trzeba

–  przeanalizować, jakie parametry, mają kluczowe znaczenie w tym konkretnym zastosowaniu,

– zwrócić uwagę na warunki pracy.

Bardzo ważne jest też określenie, które jeszcze parametry, oprócz napięcia, prądu i mocy, są istotne w danym zastosowaniu. Dla tranzystora w.cz. Duże znaczenie będą mieć pojemności wewnętrzne oraz częstotliwość graniczna. Zarówno w układach w.cz. Jak i w przedwzmacniaczach audio istotny jest poziom szumów tranzystora. W wielu układach najważniejsza będzie moc strat i związana z tym rezystancja termiczna.

Przykładowo w sieciowych zasilaczach impulsowych czy przetwornicach kluczowe parametry to napięcie Uceo i maksymalny prąd Ic, a jeszcze bardziej czasy przełączania.

Tu rzeczywiście trzeba być ostrożnym, by nie wstawić tranzystora słabszego, który albo szybko ulegnie uszkodzeniu, albo nie zapewni odpowiednich parametrów. Wprawdzie można śmiało zastosować inny typ o tym samym lub większym napięciu i prądzie, jednak zdarza się, że po wymianie nowy tranzystor wprawdzie pracuje, ale albo się nadmiernie grzeje, albo coś innego jest nie w porządku. Właśnie w przypadku wysokonapięciowych tranzystorów impulsowych czasem dają o sobie znać specyficzne właściwości, o których nie wspomina uproszczony katalog – choćby właśnie szybkość przełączania. Wtedy nie pozostaje nic innego, jak próbować znaleźć bliższy odpowiednik, bądź dać nowszy lepszy element.

Generalnie trzeba być ostrożnym w przypadkach, gdy tranzystor jest, powiedzmy „wyżyłowany”, czyli pracuje w trudnych warunkach, w pobliżu swych parametrów granicznych, na przykład przy wysokich napięciach, przy wysokiej częstotliwości, dużej mocy lub w jakichś szybkich układach impulsowych.

Ale gdy tranzystor pracuje w warunkach umiarkowanych, wtedy naprawdę rzadko trzeba szukać ścisłego odpowiednika. Można zastosować w miarę podobny, a łatwiej dostępny. Dotyczy to na przykład sprzętu dalekowschodniego, zawierającego tranzystory, nieosiągalne u nas w detalu. Przykładowo nie trzeba szukać ścisłego zamiennika japońskiego, tajwańskiego czy koreańskiego tranzystora małej mocy w torze audio popularnego radiomagnetofonu kupionego na bazarze.

Trzeba jedynie stwierdzić, czy to rzeczywiście tranzystor bipolarny oraz zidentyfikować polaryzację (PNP, NPN) i układ wyprowadzeń. W przypadku tranzystora NPN spokojnie można wstawić jakikolwiek BC548, a w przypadku PNP – BC558. Na wszelki wypadek lepiej byłoby dać tranzystor niskoszumny, odpowiednio na przykład BC549C i BC559B. Zastosowanie takich niskoszumnych tranzystorów (z końcówką oznaczenia 9) na pewno nie zaszkodzi, a w przypadku grupy B wzmocnienie będzie na pewno wystarczająco duże. Oczywiście można zastosować inne popularne  tranzystory, NPN:

BC107…109, 2N2222, BC547, BC237…9, itd. Oraz PNP: BC157..159, BC307…309 BC557…559, itd.

Można jeszcze dodać, że wschodnie tranzystory   serii   2SC,   2SA, 2SK… Są   oznaczane w sposób uproszczony, to znaczy pomija się znaki 2S. Oznaczenie C2562 informuje, że jest to tranzystor 2SC2562.

Mając oznaczenie trzeba poszukać w katalogu – wystarczy zbiorczy katalog zawierający skrócone dane kilkudziesięciu tysięcy (tak!) Typów tranzystorów.

Generalnie, jeśli w grę wchodzi stary tranzystor, opracowany ponad dwadzieścia lat temu, to należy się spodziewać, że podobny, znacznie nowszy typ będzie lepszy pod wieloma względami, w tym bardziej niezawodny.

Z identyfikacją bywają jednak duże kłopoty. Trzeba wiedzieć, że w wielu przypadkach duży wytwórca wyrobów finalnych (OEM) zamawia u producenta półprzewodników ogromną partię tranzystorów (lub innych elementów) do konkretnego urządzenia. Choć struktury półprzewodnika są identyczne jak w typowych elementach przeznaczonych na rynek, jednak oznaczenie może być inne, niezgodne z przyjętymi międzynarodowymi systemami oznaczeń.

To właśnie dlatego próba znalezienia w katalogu elementu o numerze odczytanym z uszkodzonego elementu często kończy się fiaskiem. Literki czy cyferki nie niosą w tym wypadku żadnej treści, a nawet mogą wprowadzać w błąd – jest to jakiś, można powiedzieć, „prywatny typ” tranzystora. Odpowiednika trzeba szukać rozrysowując układ i analizując warunki pracy.

Diody

Z diodami sprawa jest jeszcze prostsza. Podstawowe parametry diody to:

–  maksymalne napięcie wsteczne,

– maksymalny prąd przewodzenia.

Dodatkowo, w wielu zastosowaniach ważna jest szybkość. W uproszczeniu można powiedzieć, że każda dioda oprócz „diody właściwej” ma pasożytniczą pojemność. Gdy dioda przewodzi, ta szkodliwa pojemność jest praktycznie rozładowana (bo napięcie przewodzenia nie przekracza 1V). Gdy jednak napięcie zmienia biegunowość i dioda jest polaryzowana wstecznie, wspomniana pojemność musi się naładować. Przez jakiś czas przez diodę płynie duży prąd wsteczny – nie przez „diodę właściwą”, tylko przez tę pojemność.

Przy małych częstotliwościach (np. 50Hz) nie ma to większego znaczenia, bo ładunek zgromadzony w pojemności jest niewielki. Jednak przy częstotliwościach rzędu dziesiątek kiloherców może się okazać, że dioda nie spełnia swoich funkcji, bo prąd wsteczny związany z tą pojemnością jest zbliżony do prądu przewodzenia. Aby dioda mogła pracować przy dużych częstotliwościach, wspomniana pojemność musi być odpowiednio mała.

Właśnie dlatego diody podzieli się na trzy zasadnicze grupy:

– „zwykłe” diody prostownicze (duża szkodliwa pojemność, szeroki zakres prądów i napięć), w katalogach określane jako standard diodes, general purpose diodes.

–  szybkie diody impulsowe (mała pojemność, wysokie napięcie pracy), określane (ultra) fast recovery.

–  diody Schottky’ego (bardzo mała pojemność, niskie napięcie pracy).

Napięcie przewodzenia w diodach

W typowych diodach napięcie przewodzenia wynosi około 0,7… 1V, w diodach Schottky’ego około 0,3…0,5V Oznacza to mniejsze straty mocy przy prostowaniu. Nie bez powodu diody Schottky’ego są czasem nazywane „diodami szybkiego” – wspomniana pojemność jest bardzo mała. Ale uwaga – diody Schottky’ego nie mogą pracować przy wysokich napięciach. Maksymalne napięcia wsteczne tych pożytecznych diod leżą w zakresie 15…90V. Przy wyższych napięciach koniecznie trzeba stosować szybkie diody impulsowe.

W katalogach diod zamiast wartości tej szkodliwej pojemności podaje się częściej czas ustalania charakterystyki wstecznej (tir), zazwyczaj w nanosekundach. Dla szybkich diod wynosi on, zależnie od prądu (wielkości struktury), od kilkunastu do kilkuset nanosekund. Jeśli w ofercie handlowej obok napięcia i prądu podano też czas, chodzi o szybką diodę impulsową (fast recovery). Jeśli podano tylko napięcie i prąd – najprawdopodobniej jest to „zwykła”, powolna dioda prostownicza.

Z podanych informacji wynikają proste wnioski:

W obwodach prostowników pracujących przy częstotliwościach sieci (50Hz) można stosować zamiennie dowolne inne diody (impulsowe i Schottky’ego), byle miały napięcie pracy i prąd nie mniejsze niż oryginały.

W szczególności zamiast zwykłych diod prostowniczych zawsze można stosować diody Schottky’ego o odpowiednim prądzie i napięciu – spadek napięcia i straty mocy będą około dwukrotnie mniejsze, niż w przypadku zwykłych diod prostowniczych.

Rzadko natomiast ma sens zamiana w drugą stronę – diody Schottky’ego na „zwykłą”. W grę wchodzą tu dwa czynniki. Jeden to napięcie przewodzenia i związane z tym straty mocy. Drugi to szybkość.

Szukając zamiennika dla szybkiej diody impulsowej na przykład z zasilacza impulsowego czy obwodu odchylania poziomego telewizora), oprócz napięcia i prądu trzeba koniecznie uwzględnić szybkość. Zamiennik nie może być wolniejszy, dlatego nie zawsze można i warto stosować „na wszelki wypadek” diod, o znacznie większym prądzie. Generalnie, czym większy prąd maksymalny, tym większa pojemność. Tyle o diodach.

Tyrystory i triaki

Ogromna większość tyrystorów i triaków pracuje w obwodach sieci 50Hz. W takich zastosowaniach można wykorzystać jakiekolwiek zamienniki, byleby dopuszczalne prąd i napięcie nie były mniejsze niż w oryginale.

Jedynie w przypadku tyrystorów pracujących w szybkich układach impulsowych trzeba szukać równie szybkich zamienników. Nie ma natomiast szybkich triaków – wszystkie przeznaczone są do pracy przy częstotliwości sieci.

Wnioski

Z podanych informacji mogłoby wynikać, że znalezienie zamiennika nigdy nie będzie problemem. W zasadzie jest to prawda, ale należałoby dodać -prawie nigdy.

Jest mianowicie pewna dziedzina, w której problem zamienników występuje z większym natężeniem. Układ nie tylko nie chce działać z jakimkolwiek zamiennikiem, ale nawet z niektórymi egzemplarzami podanego typu! Nietrudno się domyślić, że chodzi o układy wysokiej częstotliwości.

W większości przypadków odpowiednik można dobrać w prosty sposób, wykorzystując podane wcześniej wskazówki.

Opracowano na podstawie materiałów z miesięcznika EDW

Porównywarka cen sprzętu RTV