У чому полягає фізичний сенс негативного опору?

Я трохи розгублений щодо фізичного значення негативного опору.

Математично компонент, який має негативний опір, показує зменшувану напругу на своєму терміналі, коли струм всередині нього зростає, і навпаки. Але як це можливо фізично?

Десь я прочитав, що прикладом компонента з негативним опором є джерело напруги. Але я не розумію цього твердження, оскільки джерело напруги - це компонент, який максимум демонструє (позитивний) внутрішній опір.

Існує ряд механізмів, які призводять до регіону, де місцеве підвищення напруги призводить до локального зменшення струму. Наприклад, діод Есакі (тунель) .

Поширеним прикладом може бути комутаційний блок живлення з постійним навантаженням. Якщо припустити, що ефективність є більш-менш постійною, збільшення вхідної напруги призводить до зменшення струму менше. Однак він завжди споживає енергію.

Окремий компонент, який виявляє негативний опір (а не негативний диференціальний опір), неможливий без якогось джерела енергії всередині компонента, інакше це порушить збереження енергії ( $P = E^2/R$ ), а негативний P вказує на це виступає джерелом живлення.

Якщо ви хочете грати з негативним ефектом опору, один із способів (припускаючи, що ви не заперечуєте заземленням одного кінця) - використовувати перетворювач негативного опору :

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Вищенаведена схема працює як резистор -10K з одним кінцем заземленим (у лінійному діапазоні) і працює приблизно до нуля вольт. Будь-яка потужність, яку вона виробляє, відбувається від джерел підсилювача.

У цьому контексті ми маємо розрізняти (1) чистий диференціальний (динамічний) нег. опори (як показано в прикладах інших відповідей) та (b) статичний негативний опір.

Для диференціальної нег. опір (rdiff) поточні ЗМІНИ негативні, для статичної нег. опір СУЧАСНИЙ сам по собі має негативний знак.

Моя наступна відповідь стосується лише статичного негативного резистора:

Такий елемент не «споживає» струм, керований джерелом напруги, а, навпаки, - він подає струм (притиснення до напруги) у зворотному напрямку до джерела напруги.

Звідси. це джерело струму з керованим напругою . Для таких схем можливі лише активні реалізації (з використанням транзисторів або - в більшості випадків - підсилювачів). Найпопулярніша схема - це NIC (конвертер негативного опору) .

Тут показаний блок NIC "Typ-A". Заземлений резистор (імпеданс) R3 перетворюється в негативний резистор (імпеданс) з коефіцієнтом перетворення (-R1 / R2). Цей тип короткого замикання. (Результати стабільного NIC з відкритим контуром для змінних входів підсилювача).

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Коментарі: Показаний NIC стабільний до тих пір, поки опір джерела напруги (не показано на малюнку) менше R1. Ці блоки NIC використовуються для розжарювання фільтрів, генераторів та інших систем з небажаним позитивним (паразитарним) опором. Математично їх можна розглядати як "нормальні" резистори послідовно і паралельно поєднувати - однак, з негативним знаком, звичайно.

Дуже популярним додатком є ​​«інтегратор NIC» (або «інтегратор Deboo»), де блок NIC підключений до загального вузла простого низькочастотного RC. У цьому випадку НІК може компенсувати позицію. резистор R - таким чином нагадує джерело струму, що завантажує переривчастий конденсатор.

Десь я прочитав, що прикладом компонента з негативним опором є джерело напруги. Але я не розумію цього твердження, оскільки джерело напруги - це компонент, який максимум демонструє (позитивний) внутрішній опір.

Можливо , згадується джерело напруги , оскільки всі ми знаємо, що ідеальне джерело напруги має мати нульовий внутрішній опір: хороший матиме невеликий позитивний опір, до якого додається будь-який опір дроту, що йде до навантаження.

Для електронно-регульованого живлення можна примусити вихідний опір минулого нуля перейти в область негативного опору. Це робиться шляхом маршрутизації частини струму навантаження таким чином, щоб регулюючи вузол напруги регулювався в такому напрямку, що вихідна напруга вимикається. Приклад звичайного регулятора LM317, який має негативний вихідний опір, наведено нижче - будьте уважні, деякі навантаження дають дикі результати:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}
За допомогою вбудованого тренажера схеми,$R_{load}$

• при 5 Ом падіння напруги в Rload становить 4,332 В

• при 15 Ом падіння напруги в Rload становить 3,993 В

Результат цього 1-омного резистора (і напрям струму Rload, що проходить через нього) змушує цей джерело напруги мати негативний опір: при більших навантаженнях вихідна напруга піднімається вгору. Це підвищення напруги може компенсувати падіння напруги через опір дроту.

Все, що падає напруга зі збільшенням струму, має негативний опір.

Джерела живлення мають цю властивість. До пасивних компонентів із збільшенням негативного опору відносяться; будь-яка газорозрядна лампа або дуга, діоди з лавиновим ефектом, тунельні діоди, SCR під час тригерної фази.

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

Але як це можливо фізично?

Деякі компоненти, як діоди Есакі та світильники, мають криву IV, яка повністю знаходиться в I та III квадрантах, але має область негативного нахилу у обмеженому діапазоні. У цій області малосигнальна модель пристрою матиме негативний опір.

( джерело зображення )

У діоді Есакі така поведінка обумовлена ​​тунельним струмом, який можливий при малому зсуві, але не при більш високій напрузі зміщення.

Також можливо зробити схему підсилювача з негативним вхідним опором у обмеженому діапазоні. Там крива IV може навіть проходити через II і IV квадранти, оскільки живлення може подаватися від силових клем напруги.

Десь я прочитав, що прикладом компонента з негативним опором є джерело напруги.

Дивлячись на вхідну сторону регульованого джерела комутації з фіксованим навантаженням, це часто буде видаватися як негативний опір.

Це тому, що це постійне енергетичне навантаження. Якщо вхідна напруга падає, ланцюг регулятора збільшить струм, проведений для продовження подачі навантаження потрібною вихідною напругою.

Хоча негативний опір завуальований таємничістю, насправді це досить проста концепція. Це можна легко пояснити, аналізуючи перепади напруги в опорах.

Позитивний резистор віднімає падіння напруги від вхідної напруги, таким чином зменшуючи струм, тоді як (S-подібний) негативний резистор додає падіння напруги до вхідної напруги, збільшуючи тим самим струм. Тож позитивний опір гальмується, тоді як негативний опір допомагає струму.

Головне питання: "Як негативний резистор додає свою напругу?" Існує дві методики це зробити, що призводить до двох видів негативного опору - диференціального та абсолютного .

Негативний диференціальний резистор - це, по суті, позитивний резистор, який віднімає падіння напруги V = ІК від вхідної напруги. Але на відміну від позитивного резистора, який має постійний опір, це динамічний резистор, який значно знижує його опір, коли струм трохи збільшується. Як результат, замість того, щоб збільшуватись, падіння напруги (добуток зростаючого I і енергійніше зменшується R) зменшується ... і це еквівалентно додаванню напруги. У цьому полягає хитрість - зменшення збитків насправді отримує прибуток .

Дивіться також: Демістифікація феномена негативного диференціального опору

Абсолютний негативний опір робиться більш природним способом - джерелом динамічної напруги (електронна схема). Він змінює свою напругу пропорційно струму (як позитивний резистор), але додає його до вхідної напруги (замість того, щоб відняти). Для додавання ця напруга має протилежну полярність; звідси назва цієї схеми - "перетворювач негативного опору інверсії напруги" (VNIC).

Дивіться також: Дослідження лінійного режиму перетворювачів негативного опору з інверсією напруги

Отже, "фізичне значення негативного опору" - це "динамічний резистор" або "динамічне джерело". Але який сенс у всьому цьому? Для якого негативного опору можна використовувати?

Негативний опір може компенсувати еквівалентну позитивну стійкість . Наприклад, якщо ми послідовно з'єднаємо S-подібний негативний резистор до позитивного резистора з однаковим опором, еквівалентний опір буде нульовим. Образно кажучи, негативний опір "знищив" позитивний опір і комбінація двох резисторів виступає як шматок дроту. Математично це просто R - R = 0 ... але нам, людям, потрібне "фізичне" пояснення ... і це:

• Диференціальна негативна стійкість . Якщо джерело входу намагається збільшити струм, падіння напруги на позитивному резисторі збільшується і повинно впливати на струм. Але негативний резистор енергійно зменшує його опір, щоб зменшити падіння напруги на себе на одне значення. Загальна напруга по всій мережі не змінюється; він поводиться як діод Зенера з нульовим диференціальним опором. Тож диференціальний негативний резистор компенсує зміну падіння напруги на позитивному резисторі ... не дуже падіння.
• Абсолютний негативний опір . Він компенсує весь падіння напруги через позитивний резистор (не тільки зміну), вставляючи ту саму напругу. Для цього використовується додаткове джерело напруги з протилежною полярністю. Загальна напруга по всій мережі не тільки постійне, але і нульове. Мережа справді веде себе як «шматок дроту» і не перешкоджає струму. Популярними прикладами такого розташування є підсилювач трансимпансу та інвертуючий підсилювач, де вихідний підсилювач виступає як абсолютний негативний "резистор". Він руйнує опір зворотного зв'язку, компенсуючи падіння напруги через нього рівним напругою.

Звичайне джерело напруги не є негативним "резистором", оскільки його напруга не змінюється пропорційно струму ... воно не динамічне ... воно постійне. Швидше ми можемо вважати це як своєрідний «діод Зенера».

Ймовірно, пов'язана дискусія в ResearchGate зацікавить вас:

І чому існують ще два типи негативного опору?

Ідеальний негативний резистор неможливий, але пристрій може мати характеристики негативного опору в обмеженому діапазоні.

Опір нелінійного пристрою змінюється, і при заданій напрузі еквівалентний опір дорівнює нахилу лінії. Якщо нахил у діапазоні від'ємний, то цей діапазон має негативний опір.

Щодо речення:

Десь я прочитав, що прикладом компонента з негативним опором є джерело напруги.

Я здогадуюсь, що "джерело напруги з негативним опором" є вирішальним недоречним.

Помилка, ймовірно, така:

Нормальне джерело забезпечує U = U0 - R I.

Якщо для U0 встановлено 0 Вольт, то вираз стає U = -R I.

Хочеться думати, що резистор негативний.

Насправді знак мінус походить від умовностей, що використовуються для опису знаку U та I. Ці конвенції різні для джерел та пасивних компонентів

Переважно, і насамперед у повсякденному житті, ця конвенція є "Активної конвенцією знаків" для джерел та "Пасивною конвенцією" для резисторів ( посилання Wiki )

Багато людей не знають, що вони не використовують ту саму умову, коли пишуть U = U0 - RI для джерела і U = RI для резистора

Входи перетворювача постійного струму - хороший приклад негативного опору. Із зменшенням напруги струм збільшується, щоб забезпечити той же вихід потужності. Також негативний опір може бути створений схемою підсилювача.

Простим способом опір - це співвідношення між напругою і струмом, якщо побудувати графік напруги проти струму, присутнього в певній складовій, опір з’явиться як нахил між цими змінними. У фізичному відношенні позитивний опір означає, що якщо напруга компонента підвищується, струм, який протікає, також зростає, інакше негативний опір означає, що коли напруга компонента зростає, струм знижується.