Perché il transistor non commuta?

Stavo leggendo un esempio da un libro di testo. E per questo circuito sopra l'autore afferma che quando R3 è inferiore a 100 ohm Q3 non cambierà. Non sono riuscito a capire il "motivo" del perché. Ma ho verificato con LTSpice che l'autore ha ragione. Semplicemente non spiega il motivo.

Se diciamo che R3 è vicino allo zero quando Q2 è attivo, perché anche Q3 non si accende?

Affinché Q3 si accenda, la caduta di tensione tra la sua base e l'emettitore deve essere di circa 0,6 V, il che significa che la stessa tensione deve essere lasciata cadere su R3, il che significa che la corrente che scorre attraverso R3 deve essere almeno I3 = 0.6V / R3 .

Quando c'è meno corrente che scorre attraverso R3, la caduta di tensione su R3 è inferiore alla caduta di tensione minima di Q3 e Q3 rimarrà spento.

Per R3 = 100 Ω, la corrente I3 richiesta sarebbe 6 mA. Tuttavia, in questo circuito, anche la corrente attraverso R3 e Q3 è limitata da R2: una corrente di 6 mA comporterebbe una caduta di tensione di 19,8 V su R2, che non è possibile con un'alimentazione di 15 V.
La caduta di tensione più grande possibile su R2 si verifica quando Q2 è saturo ed è di circa 14 V, il che si traduce in una corrente massima possibile di circa 14 V / 3,3 kΩ = 4,2 mA.

I transistor PNP si attivano quando è abbastanza grande. Quando si rende R 3 troppo piccolo, non c'è abbastanza tensione attraverso la giunzione EB del transistor per accenderlo.$V_{EB}$$R_3$

$V_{EB}$$R_3$$R_2$$R_3$$Q_3$

Dato che sei confuso sul comportamento di accensione di Q3 rispetto a R3, considera il circuito equivalente costituito solo dal divisore di resistenza essenziale (R3 e R2) e dalla giunzione emettitore di base di Q3:

Sto variando qui R3 nel tempo da 0 a 1K. Il diodo BE gira a circa 0,65 V, che corrisponde a 150 ohm per R3. Questo è facilmente verificabile come 15 V * 150 / (3300 + 150) = 0,65 V.

Poiché la corrente attraverso un diodo acceso ha una variazione esponenziale con la tensione attraverso di essa (equazione di Shockley) e poiché la corrente qui è limitata da R2, la tensione BE sarà all'incirca costante quando il diodo è acceso. Una volta che la giunzione è attiva, Vbe in realtà varia in modo logaritmico con una corrente a diodo che ha un limite superiore (imposto da R2) ... il che non significa molto. Nota che la curva V (BE) (traccia rossa) ha una virata più acuta rispetto alla corrente I (BE) (magenta) ... a causa della relazione logaritmica che ha con la corrente del diodo.

Prima che il diodo si accenda, la tensione BE è una funzione lineare di R3 poiché è solo un divisore resitivo con R2. Anche I (R2) non varia molto prima che il diodo si accenda perché il punto di accensione è solo a circa R3 = 4,5% del valore di R2. Ma su un grafico separato di I (R2) [nel riquadro inferiore] puoi vedere che è "ancora più costante" oltre il punto di accensione del diodo. Quindi questo verifica il solito presupposto che Vbe sia costante (e di conseguenza anche io (R2) qui) una volta che la giunzione BE è effettivamente attiva. Prima di allora non ci sono restrizioni su ciò che Vbe può essere come puoi vedere; dipende solo dal valore di R3 quando il diodo è spento.

Considera la tensione attraverso un diodo e la corrente che scorre. Di seguito sono riportate le curve per un vecchio diodo al germanio (1N34A) e un diodo al silicio (1N914): -

Concentrato sul diodo al silicio (1N914). Con 0,6 volt attraverso di essa, la corrente è di circa 0,6 mA. Ora lascia cadere quella tensione a 0,4 volt. La corrente scende a 10 uA e, con 0,2 volt attraverso di essa, la corrente è di circa 100 nA.

Ora, la giunzione emettitore di base in un BJT è un diodo polarizzato in avanti. La polarizzazione diretta viene dalla tensione che si colloca su di essa e ciò avviene di solito tramite una resistenza di polarizzazione. Nel tuo circuito, R2 e la tensione di alimentazione definiscono la corrente che può fluire congiuntamente nella base e in R3.

Quando R2 fornisce una discreta quantità di corrente, la maggior parte scorre attraverso la giunzione dell'emettitore di base perché ci si trova su quella parte della curva del diodo e quella parte della curva del diodo ha una resistenza dinamica che è molto più piccola di R3. Man mano che la tensione dell'emettitore di base diminuisce, la sua resistenza dinamica aumenta e R3 inizia a diventare il "percorso" verso cui scorre la maggior parte della corrente proveniente da R2.

La resistenza dinamica è la piccola variazione della tensione applicata divisa per la variazione della corrente. Puoi guardare il grafico a diodi sopra e selezionare alcuni punti: -

• A 0,60 volt la corrente è probabilmente di 600 uA
• A 0,62 volt la corrente è di circa 1000 uA

La resistenza dinamica sarebbe 20mV / 200uA = 100 ohm

• A 0,40 volt la corrente è di circa 10 uA
• A 0,42 volt la corrente è di circa 11 uA

La resistenza dinamica sarebbe 20mV / 1uA = 20 kohms.

Quindi, quando R3 si abbassa diventa più dominante che la giunzione dell'emettitore di base e rapidamente la corrente di giunzione scompare. Dato che possiamo approssimare l'azione del transistor su un dispositivo con guadagno di corrente, abbassando R3 oltre un certo punto si intende una corrente di collettore in rapida caduta e, in effetti, il transistor è considerato spento.

Un transistor ha bisogno di circa 0,7 V VE per iniziare a condurre. Dato che hai il vantaggio di un simulatore lì, sperimenta diversi valori R2 / R3 e osserva la tensione sviluppata su R3 e se il transistor si accende.

Per quanto riguarda il motivo per cui è 0,7 V, è necessaria la fisica dei semiconduttori!

Bene, penso che siano state date tutte le risposte complicate, ma per i miei due centesimi: qualcosa sotto 150 ohm "cortocircuita" la base alla giunzione dell'emettitore