La simulación del circuito NPN no está de acuerdo con el libro

En realidad tienes razón. El texto del libro tiene un error. Se escribe Vcc en lugar de Vce. Vcc debe ser superior a 3,8V para que Vce > 0 y el transistor esté completamente activo.

Debo admitir que también pensé mal el funcionamiento del circuito en mi versión de respuesta anterior. Hice una simulación de barrido DC. Coloqué GND en el emisor para obtener Vce fácilmente sin matemáticas, Vce = V (NODE1)

El voltaje de BAT1 va de 0 a +9V. Vce no se vuelve negativo en absoluto. El funcionamiento adecuado del transistor necesita Vce> el límite de saturación que es de aproximadamente +200 mV en este caso.

Su pregunta: "¿Qué sucede si Ic es lo suficientemente grande como para producir una caída de voltaje (en la resistencia) mayor que Vcc?"

Esto es imposible. Usando los valores de suministro de CC dados (+- 9V), una caída de voltaje mayor que Vcc haría que el potencial del emisor fuera positivo. En este caso, la unión BE pn no está polarizada positivamente y el transistor estaría apagado. Por lo tanto, no hay corriente. Eso significa: su suposición principal (Ic grande) está obsoleta.

Debe (a) conocer los "secretos de la retroalimentación negativa (causada por R2) y (b) darse cuenta de que dicha retroalimentación de CC negativa permite un ajuste automático de Ic porque hay dos ecuaciones (reglas) que deben cumplirse:

(1) Ley de Ohm para R2 y (2) Ecuación exponencial de Shockley que describe la relación voltaje-corriente a través de la unión BE.

Finalmente, para Vcc>0 se cumple una de las condiciones previas para usar el BJT como amplificador (unión CB con polarización inversa). La segunda condición (unión BE con polarización directa) también se cumple porque el potencial base (cero) siempre es mayor que el potencial negativo del colector.

Asumiendo Vbe=0.7V, tendremos:

Calculando Vcc cuando Vc se convierte en -0.5V o Vce=0.2V, tendremos:

Para$V_{CC} \gt 0$, la unión colector-base tendrá polarización inversa y el transistor estará en la región activa directa.

Comencemos aquí. Para entender este punto, es necesario ver algunos detalles.

1. La base está atornillada a tierra ($0\:\textrm{V}$).
2. El emisor se tira hacia abajo con una resistencia hacia un voltaje que es significativamente negativo con respecto a la base.
3. Hay un diodo (oculto) en el diagrama BJT que va desde la base hasta el colector. El ánodo de ese diodo está en la base, que está en$0\:\textrm{V}$por definición. El colector es el cátodo. Para hacer que ese diodo se polarice hacia adelante, el colector necesariamente tendría que ser negativo con respecto a la base.

Dado que la declaración habla solo del caso en el que$V_{CC} \gt 0\:\textrm{V}$, esto también es por definición más positivo que la base. No más negativo.

Piense en esto como una pregunta más simple:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

He dejado intencionalmente el diodo emisor de base desconectado aquí, por lo que lo ignorará por ahora. Basta con mirar el circuito restante. Si$V_{CC} \le 0\:\textrm{V}$entonces el diodo BC está polarizado hacia adelante hasta cierto punto y una corriente puede fluir a través$R_C$. Pero si$V_{CC} \gt 0\:\textrm{V}$, entonces el diodo BC debe tener polarización inversa. Entonces, esa parte de la declaración, la parte que dice "la unión colector-base tendrá polarización inversa", parece ser correcta desde esta perspectiva altamente simplificada.

Por supuesto, ahora argumenta que, "Sí, estoy de acuerdo hasta ahora. Pero también, hay una corriente de colector que no se puede explicar con ese esquema simplista. Y esta corriente de colector podría parecer tener cualquier valor. Entonces esto significaría que tu ejemplo es inútil".

Buen punto. Mi contrapartida es que la corriente del colector no puede ser ninguna corriente. Esa corriente está limitada a un máximo determinado aproximadamente por$I_{C_{MAX}}\approx \frac{V_{CC}}{R_C}$. Así que veamos por qué.

Podemos cambiar la corriente en el emisor cambiando el valor de$R$. El BJT está en un modo de ser un seguidor de emisor, por lo que la corriente del emisor estará determinada por:

Notarás aquí que$R_C$no aparece aquí. Entonces, parecería que la corriente del emisor se puede configurar arbitrariamente . "¿No significa esto que podemos hacer que el colector actual tenga el valor que queramos, entonces?" Y la respuesta es " NO , no puedes hacer eso".

"Entonces, ¿a dónde va o de dónde viene la corriente del emisor?", Preguntas.

"La diferencia aparece en la base", respondo.

A medida que se reduce el valor de$R$, y mientras el BJT está en su modo activo y no saturado, la corriente del colector aumenta tal como cabría esperar. Pero en algún punto determinado por su elección de valores para$R_C$la caída de voltaje a través$R_C$se acerca mucho al punto de polarización directa de la unión BC. Justo en el punto donde$V_{BC}=0\:\textrm{V}$, el diodo BC permanece polarizado inversamente, tal como dice el texto. Pero si ahora continúa aumentando la corriente del colector al disminuir$R$aún más (o, alternativamente, intente aumentar la caída de voltaje a través de$R_C$aumentando su valor), simplemente comenzará las primeras etapas de polarización directa de la unión BC. En el momento en que hace eso, es el momento en que la unión BC comienza a conducir algo de corriente directa desde la base.

Piense detenidamente en eso. A medida que aumenta la caída de voltaje a través$R_C$lo suficiente como para comenzar a polarizar en directa la unión BC, la base ahora debe comenzar a suministrar una corriente adicional para esa unión recién polarizada en directa. Esta corriente de base agregada no aumenta la corriente del colector, pero se convierte en parte de la corriente del emisor.

[Piense en esta corriente adicional como "yendo de la base a la región del colector y luego cayendo al emisor". Sin embargo, esto sucede dentro del BJT y no aparece como una corriente medible en el cable que representa el pin del colector del BJT. (No puede). Esto sucede dentro del BJT, por lo que no puede impactar en el pin del colector. Todo lo que hace es agregar a la corriente del emisor sin cambiar la corriente del colector (mucho).]

Una vez que la unión BC ha pasado a una condición de polarización directa, se dice que el BJT está "saturado". Al principio, se trata de una saturación muy superficial ya que la unión BC tiene una polarización directa muy ligera y la corriente añadida es bastante pequeña. Entonces, desde afuera mirando hacia adentro, el$\beta$todavía parece ser "bastante bueno". Pero a medida que intenta aumentar aún más la corriente del emisor (o aumentar el valor de$R_C$para tratar de aumentar su caída de voltaje), esta unión BC se polariza aún más y esto significa que la corriente que fluye a través de ella aumenta drásticamente.

Recuerda, cada$60\:\textrm{mV}$el aumento en la polarización directa de un diodo BJT aumentará la corriente a través de él en un factor de 10 aproximadamente. Por lo tanto, incluso pequeños cambios en el voltaje de polarización directa de BC producen grandes cambios en la corriente base necesaria. Muy, muy rápidamente, el BJT entra en una saturación profunda y la base comienza a atraer corrientes muy grandes.

Eventualmente, en el extremo, casi toda la corriente del emisor proviene de la base, no del colector; con la corriente del colector limitada (tapada) por un voltaje del colector que no puede acercarse mucho más al voltaje del emisor que aproximadamente$V_{CE_{SAT}}\approx 200\:\textrm{mV}$.

En resumen, mientras el BJT está en su modo activo (y no en una saturación profunda), el colector "actúa como" una fuente/sumidero de corriente. Y cuando el BJT está en saturación profunda, el colector actúa como una fuente de voltaje con un voltaje muy cercano al voltaje del emisor. En el estado restante, en saturación superficial, está en transición en algún lugar entre estos otros dos estados.

Para sus simulaciones de Spice, solo tome nota de las corrientes base así como de las otras dos corrientes. Si ve que la unión BC entra en una situación de polarización directa, esto también significa que debería comenzar a ver un porcentaje creciente de la corriente del emisor proveniente de la base y no del colector. Antes de ese punto, debería haber una relación más o menos constante entre las corrientes de base y colector. (O, dicho de otra manera, deberías ver$\beta=\frac{I_C}{I_B}$disminuyendo a medida que la unión BC se polariza cada vez más hacia adelante).