Каков физический смысл отрицательного сопротивления?

Я немного озадачен физическим значением отрицательного сопротивления.

Математически, компонент, который имеет отрицательное сопротивление, показывает уменьшающееся напряжение на своем выводе, когда ток внутри него растет, и наоборот. Но как это физически возможно?

Где-то я читал, что примером компонента с отрицательным сопротивлением является источник напряжения. Но я не понимаю этого утверждения, поскольку источник напряжения является компонентом, который в большинстве случаев показывает (положительное) внутреннее сопротивление.

Существует ряд механизмов, которые приводят к появлению области, в которой локально увеличивающееся напряжение приводит к локально уменьшающемуся току. Например, эсаки (туннель) диод .

Типичным примером может служить импульсный источник питания с постоянной нагрузкой. Предполагая, что эффективность более или менее постоянна, увеличение входного напряжения приводит к уменьшению потребляемого тока. Это всегда потребляет энергию, хотя.

Автономный компонент, который демонстрирует отрицательное сопротивление (а не отрицательное дифференциальное сопротивление), невозможен без какого-либо источника энергии внутри компонента, в противном случае это нарушит сохранение энергии ( $P = E^2/R$ ), а отрицательный P будет указывать на это. действует как источник питания.

Если вы хотите играть с эффектом отрицательного сопротивления, один из способов (если вы не возражаете против заземления одного конца) является использование преобразователя отрицательного сопротивления :

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Вышеупомянутая схема действует как резистор -10K с заземленным концом (в пределах линейного диапазона) и работает до нуля вольт. Любая мощность, которую он производит, исходит от источников питания операционного усилителя.

В этом контексте мы должны различать (1) чисто дифференциальный (динамический) нег. сопротивления (как показано в примерах других ответов) и (б) статическое отрицательное сопротивление.

Для дифференциального нег. сопротивление (rdiff) текущие ИЗМЕНЕНИЯ отрицательны, для статического отриц. Сопротивление ТОК само по себе имеет отрицательный знак.

Мой следующий ответ касается только статического отрицательного резистора:

Такой элемент не «потребляет» ток, управляемый источником напряжения, но, наоборот, он направляет ток (пропорционально напряжению) в противоположном направлении в источник напряжения.

Следовательно. это управляемый напряжением источник тока . Для таких схем возможны только активные реализации (с использованием транзисторов или - в большинстве случаев - операционных усилителей). Наиболее популярной схемой является NIC (преобразователь отрицательного сопротивления) .

Здесь показан блок NIC "Тип-А". Заземленный резистор (полное сопротивление) R3 преобразуется в отрицательный резистор (полное сопротивление) с коэффициентом преобразования (-R1 / R2). Этот тип является short-circuit.stable. (Устойчивый сетевой адаптер с разомкнутой цепью приводит к замене входов операционного усилителя).

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Комментарии: Показанный сетевой адаптер стабилен до тех пор, пока сопротивление источника источника напряжения (не показано на рисунке) меньше, чем R1. Эти блоки NIC используются для фильтров, генераторов и других систем с нежелательным положительным (паразитным) сопротивлением. Математически их можно рассматривать как «нормальные» резисторы в последовательных и параллельных комбинациях - однако, с отрицательным знаком, конечно.

Очень популярным приложением является «Интегратор NIC» (или «Интегратор Deboo»), где блок NIC связан с общим узлом простого RC нижнего уровня. В этом случае NIC может компенсировать полож. резистор R - таким образом, напоминающий источник тока, который заряжает конденсатор.

Где-то я читал, что примером компонента с отрицательным сопротивлением является источник напряжения. Но я не понимаю этого утверждения, поскольку источник напряжения является компонентом, который в большинстве случаев показывает (положительное) внутреннее сопротивление.

Возможно, упоминается источник напряжения , потому что все мы знаем, что идеальный источник напряжения должен иметь нулевое внутреннее сопротивление: хороший будет иметь небольшое положительное сопротивление, к которому добавляется любое сопротивление провода, идущее к нагрузке.

Для источника с электронным регулированием можно принудительно вывести выходное сопротивление за ноль в область отрицательного сопротивления. Это делается путем направления некоторого тока нагрузки таким образом, чтобы узел регулирующего напряжения регулировался в таком направлении, чтобы выходное напряжение увеличивалось. Ниже приведен пример обычного регулятора LM317 с отрицательным выходным сопротивлением - будьте осторожны, некоторые нагрузки дают выдающиеся результаты:

$R_{load}$

• при 5 Ом падение напряжения на нагрузке составляет 4,322 В

• при 15 Ом падение напряжения на нагрузке составляет 3,993 В

Результат этого 1-омного резистора (и направление тока Rload, проходящего через него) заставляет этот источник напряжения иметь отрицательное сопротивление: при более высоких нагрузках выходное напряжение повышается. Это увеличение напряжения может компенсировать падение напряжения на сопротивлении провода.

Все, что падает с ростом тока, имеет отрицательное сопротивление.

Источники питания имеют это свойство. Пассивные компоненты с возрастающим отрицательным сопротивлением включают в себя; любые газоразрядные колбы или дуги, диоды с эффектом лавин, туннельные диоды, SCR во время фазы запуска.

https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_resistance

Но как это физически возможно?

Некоторые компоненты, такие как диоды Esaki и лампы накаливания, имеют кривую IV, которая полностью находится в I и III квадрантах, но имеет область отрицательного наклона в ограниченном диапазоне. В этом регионе слабосигнальная модель устройства будет иметь отрицательное сопротивление.

( источник изображения )

В диоде Эсаки это поведение вызвано туннельным током, который возможен при низком смещении, но не при более высоком напряжении смещения.

Также возможно создать схему операционного усилителя с отрицательным входным сопротивлением в ограниченном диапазоне. Там кривая IV может даже проходить через квадранты II и IV, поскольку питание может подаваться от клемм питания операционного усилителя.

Где-то я читал, что примером компонента с отрицательным сопротивлением является источник напряжения.

Если смотреть на входную сторону регулируемого импульсного источника питания с фиксированной нагрузкой, он часто будет выглядеть как отрицательное сопротивление.

Это потому, что это постоянная мощность нагрузки. Если входное напряжение падает, схема регулятора будет увеличивать потребляемый ток, чтобы продолжать снабжать нагрузку требуемым выходным напряжением.

Хотя негативное сопротивление скрыто в тайне, на самом деле это довольно простая концепция. Это легко объяснить анализом падения напряжения на сопротивлениях.

Положительный резистор вычитает падение напряжения из входного напряжения, тем самым уменьшая ток, в то время как (S-образный) отрицательный резистор добавляет падение напряжения к входному напряжению, увеличивая ток. Таким образом, положительное сопротивление препятствует, а отрицательное сопротивление помогает току.

Главный вопрос: «Как отрицательный резистор добавляет свое напряжение?» Для этого есть две техники, которые приводят к двум видам отрицательного сопротивления - дифференциальному и абсолютному .

По сути, отрицательный дифференциальный резистор - это положительный резистор, который вычитает падение напряжения V = IR из входного напряжения. Но в отличие от положительного резистора, который имеет постоянное сопротивление, это динамический резистор, который значительно уменьшает свое сопротивление, когда ток немного увеличивается. В результате вместо увеличения падение напряжения (произведение увеличивающегося I и более энергично уменьшающегося R) уменьшается ... и это эквивалентно добавлению напряжения. Это хитрость - сокращение потерь на самом деле является прибылью .

Смотрите также: Демистификация явления отрицательного дифференциального сопротивления

Абсолютное отрицательное сопротивление осуществляется более естественным способом - источником динамического напряжения (электронная схема). Он изменяет свое напряжение пропорционально току (как положительный резистор), но добавляет его к входному напряжению (вместо того, чтобы вычитать). В целях сложения это напряжение имеет противоположную полярность; отсюда и название этой схемы - «преобразователь отрицательного сопротивления инверсии напряжения» (VNIC).

См. Также: Исследование линейного режима отрицательных преобразователей полного сопротивления с инверсией напряжения

Итак, «физический смысл отрицательного сопротивления» - это «динамический резистор» или «динамический источник». Но какой смысл всего этого? Для чего можно использовать отрицательное сопротивление?

Отрицательное сопротивление может компенсировать эквивалентное положительное сопротивление . Например, если мы последовательно подключим S-образный отрицательный резистор к положительному резистору с таким же сопротивлением, эквивалентное сопротивление будет равно нулю. Образно говоря, отрицательное сопротивление «разрушило» положительное сопротивление, и комбинация двух резисторов действует как кусок провода. Математически, это просто R - R = 0 ... но нам, людям, нужно более "физическое" объяснение ... и вот оно:

• Дифференциальное отрицательное сопротивление . Если источник входного сигнала пытается увеличить ток, падение напряжения на положительном резисторе увеличивается и должно влиять на ток. Но отрицательный резистор резко уменьшает свое сопротивление, чтобы уменьшить падение напряжения на себе на то же значение. Общее напряжение по всей сети не меняется; он ведет себя как стабилитрон с нулевым дифференциальным сопротивлением. Таким образом, дифференциальный отрицательный резистор компенсирует изменение падения напряжения на положительном резисторе ... а не само падение.
• Абсолютное отрицательное сопротивление . Он компенсирует полное падение напряжения на положительном резисторе (не только изменение), вводя то же напряжение. Для этого используется дополнительный источник напряжения с противоположной полярностью. Общее напряжение по всей сети не только постоянное, но и нулевое. Сеть действительно ведет себя как «кусок провода» и не препятствует току. Популярными примерами такого устройства являются трансимпедансный усилитель и инвертирующий усилитель, где выход операционного усилителя действует как абсолютный отрицательный «резистор». Он разрушает сопротивление обратной связи, компенсируя падение напряжения на нем равным напряжением.

Обычный источник напряжения не является отрицательным «резистором», поскольку его напряжение не изменяется пропорционально току ... оно не является динамическим ... оно является постоянным. Скорее мы можем думать об этом как о некоем «диоде Зенера».

Вероятно, интересующая вас дискуссия в ResearchGate будет вам интересна:

И почему существуют еще два типа отрицательного сопротивления?

Идеальный отрицательный резистор невозможен, но устройство может иметь отрицательные характеристики сопротивления в ограниченном диапазоне.

Сопротивление нелинейного устройства изменяется, и при данном напряжении эквивалентное сопротивление равно наклону линии. Если уклон отрицательный в диапазоне, этот диапазон имеет отрицательное сопротивление.

По поводу предложения:

Где-то я читал, что примером компонента с отрицательным сопротивлением является источник напряжения.

Я предполагаю, что «источник напряжения с отрицательным сопротивлением» - это принципиальное недоразумение.

Ошибка, вероятно, заключается в следующем:

Нормальный источник поставляет U = U0 - RI.

Если U0 установлен в 0 Вольт, то выражение становится U = -R I.

Можно подумать, что резистор отрицательный.

Фактически, знак минус происходит от соглашений, используемых для описания знака U и I. Эти соглашения различны для источников и пассивных компонентов.

Главным образом, и, прежде всего, в повседневной жизни, это соглашение - «Соглашение об активном знаке» для источников и «Соглашение об пассивном знаке» для резисторов ( Wiki-ссылка )

Многие люди не знают, что они не используют то же самое соглашение, когда пишут U = U0 - RI для источника и U = RI для резистора

Входы DC-DC преобразователя являются хорошим примером отрицательного сопротивления. По мере снижения напряжения ток увеличивается для обеспечения одинаковой выходной мощности. Также отрицательное сопротивление может быть создано схемой операционного усилителя.

Проще говоря, сопротивление - это соотношение между напряжением и током. Если вы построите график зависимости напряжения от тока, присутствующего в определенном компоненте, сопротивление будет отображаться как наклон между этими переменными. Физически положительное сопротивление означает, что, если напряжение компонента увеличивается, ток, который течет, также возрастает, в противном случае отрицательное сопротивление означает, что когда напряжение компонента увеличивается, ток уменьшается.