Jakie jest fizyczne znaczenie negatywnego oporu?

Jestem trochę zdezorientowany co do fizycznego znaczenia negatywnego oporu.

Matematycznie element, który ma rezystancję ujemną, wykazuje malejące napięcie na swoim zacisku, gdy rośnie prąd w nim, i odwrotnie. Ale jak to fizycznie możliwe?

Gdzieś przeczytałem, że przykładem komponentu o ujemnej rezystancji jest źródło napięcia. Ale nie rozumiem tego stwierdzenia, ponieważ źródło napięcia jest składnikiem, który co najwyżej wykazuje (dodatni) opór wewnętrzny.

Istnieje wiele mechanizmów, które powodują, że lokalnie rosnące napięcie powoduje lokalnie malejący prąd. Na przykład dioda Esaki (tunelowa) .

Typowym przykładem może być zasilacz impulsowy o stałym obciążeniu. Zakładając, że sprawność jest mniej więcej stała, zwiększenie napięcia wejściowego powoduje, że pobierany jest mniej prądu. Zawsze jednak zużywa energię.

Samodzielny komponent, który wykazuje ujemną rezystancję (zamiast ujemnej rezystancji różnicowej) nie jest możliwy bez pewnego rodzaju źródła energii w komponencie, w przeciwnym razie naruszałoby to zachowanie energii ( ), a ujemna P oznaczałaby działa jako źródło energii.$P = E^2/R$

Jeśli chcesz grać z efektem ujemnego oporu, jednym ze sposobów (zakładając, że nie masz nic przeciwko uziemieniu jednego końca) jest użycie przetwornika ujemnej impedancji :

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Powyższy obwód działa jak rezystor -10K z jednym końcem uziemionym (w zakresie liniowym) i działa do około zera woltów. Każda wytwarzana przez nią energia pochodzi z zasobów wzmacniacza operacyjnego.

W tym kontekście musimy rozróżnić (1) czysty różnicowy (dynamiczny) neg. rezystancje (jak pokazano w przykładach innych odpowiedzi) i (b) statyczny opór ujemny.

Dla różnicowego neg. Rezystancja (rdiff) aktualne ZMIANY są ujemne, dla statycznego neg. opór sam OBECNY ma znak ujemny.

Moja poniższa odpowiedź dotyczy wyłącznie statycznego rezystora ujemnego:

Taki element nie „pobiera” prądu napędzanego przez źródło napięcia, ale - na odwrót - doprowadza prąd (proporcjonalny do napięcia) w przeciwnym kierunku do źródła napięcia.

W związku z tym. jest to źródło prądu sterowane napięciem . W przypadku takich obwodów możliwe są tylko aktywne realizacje (przy użyciu tranzystorów lub - w większości przypadków - wzmacniaczy). Najpopularniejszym obwodem jest NIC (konwerter impedancji ujemnej) .

Pokazano tutaj blok karty sieciowej „Typ-A”. Uziemiony rezystor (impedancja) R3 przekształca się w rezystor ujemny (impedancja) ze współczynnikiem konwersji (-R1 / R2). Ten typ jest zwarty. Stabilny. (Wyniki stabilnego obwodu otwartego obwodu dla wymiennych wejść opamp).

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Uwagi: Pokazana karta sieciowa jest stabilna, o ile rezystancja źródła źródła napięcia (niepokazana na rysunku) jest mniejsza niż R1. Te bloki NIC są używane do usuwania tłumienia filtrów, oscylatorów i innych systemów o niechcianych dodatnich (pasożytniczych) opornościach. Matematycznie można je traktować jako „normalne” rezystory w szeregach i kombinacjach równoległych - oczywiście ze znakiem ujemnym.

Bardzo popularną aplikacją jest „integrator NIC” (lub „integrator Deboo”), w którym blok NIC jest podłączony do wspólnego węzła prostego dolnoprzepustowego RC. W takim przypadku karta sieciowa może skompensować pozycję. rezystor R - w ten sposób przypominający źródło prądu, które ładuje kondensator pośredni.

Gdzieś przeczytałem, że przykładem komponentu o ujemnej rezystancji jest źródło napięcia. Ale nie rozumiem tego stwierdzenia, ponieważ źródło napięcia jest składnikiem, który co najwyżej wykazuje (dodatni) opór wewnętrzny.

Być może wspomniano o źródle napięcia , ponieważ wszyscy wiemy, że idealne źródło napięcia powinno mieć zerową rezystancję wewnętrzną: dobre będzie miało niewielką rezystancję dodatnią, do której dodawany jest wszelki opór drutu dochodzący do obciążenia.

W przypadku regulowanego elektronicznie źródła zasilania można zmusić rezystancję wyjściową powyżej zera do ujemnego obszaru rezystancji. Odbywa się to poprzez ukierunkowanie części prądu obciążenia, tak aby regulujący węzeł napięcia był regulowany w takim kierunku, aby napięcie wyjściowe było zwiększane. Przykład typowego regulatora LM317 o ujemnej rezystancji wyjściowej pokazano poniżej - uwaga, niektóre obciążenia dają dzikie wyniki:

$R_{load}$

• przy 5 omach spadek napięcia na obciążeniu wynosi 4,322 V.

• przy 15 omach spadek napięcia na obciążeniu wynosi 3,993 V.

Rezultat tego 1-omowego rezystora (i kierunku przepływu prądu Rloada) zmusza ten zasilacz do posiadania rezystancji ujemnej: przy większych obciążeniach napięcie wyjściowe rośnie. Ten wzrost napięcia może skompensować spadek napięcia na rezystancji drutu.

Wszystko, co spada napięcia wraz ze wzrostem prądu, ma opór ujemny.

Źródła zasilania mają tę właściwość. Składniki pasywne z przyrostową opornością ujemną obejmują; dowolna żarówka lub łuk wyładowczy, diody z efektem lawinowym, diody tunelowe, SCR podczas fazy wyzwalania.

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

Ale jak to fizycznie możliwe?

Niektóre elementy, takie jak diody Esaki i lampy jarzeniowe, mają krzywą IV, która jest całkowicie w kwadrantach I i III, ale ma ujemny obszar nachylenia w ograniczonym zakresie. W tym regionie model małego sygnału urządzenia będzie miał opór ujemny.

( źródło obrazu )

W diodzie Esaki takie zachowanie jest spowodowane prądem tunelowym, który jest możliwy przy niskim obciążeniu, ale nie przy wyższym napięciu.

Możliwe jest również wykonanie obwodu wzmacniacza operacyjnego z ujemną rezystancją wejściową w ograniczonym zakresie. Tam krzywa IV może nawet przechodzić przez ćwiartki II i IV, ponieważ moc może być dostarczana z zacisków mocy wzmacniacza operacyjnego.

Gdzieś przeczytałem, że przykładem komponentu o ujemnej rezystancji jest źródło napięcia.

Patrząc na stronę wejściową regulowanego zasilacza o stałym obciążeniu, często pojawia się jako rezystancja ujemna.

Jest tak, ponieważ jest to stałe obciążenie mocy. Jeżeli napięcie wejściowe spadnie, obwód regulatora zwiększy pobierany prąd, aby kontynuować zasilanie pożądanego napięcia wyjściowego.

Chociaż negatywny opór jest ukryty w tajemnicy, w rzeczywistości jest to dość prosta koncepcja. Można to łatwo wyjaśnić, analizując spadki napięcia na opornikach.

Rezystor dodatni odejmuje spadek napięcia od napięcia wejściowego, zmniejszając w ten sposób prąd, podczas gdy rezystor ujemny (w kształcie litery S) dodaje swój spadek napięcia do napięcia wejściowego, zwiększając w ten sposób prąd. Tak więc dodatni opór przeszkadza, podczas gdy ujemny opór pomaga prądowi.

Główne pytanie brzmi: „W jaki sposób rezystor ujemny dodaje swoje napięcie?” Można to zrobić na dwa sposoby prowadzące do dwóch rodzajów ujemnego oporu - różnicowego i absolutnego .

Ujemny rezystor różnicowy jest zasadniczo rezystorem dodatnim, który odejmuje swój spadek napięcia V = IR od napięcia wejściowego. Ale w przeciwieństwie do rezystora dodatniego, który ma stałą rezystancję, jest to rezystor dynamiczny, który znacznie zmniejsza swoją rezystancję, gdy prąd nieznacznie wzrasta. W rezultacie, zamiast wzrosnąć, spadek napięcia (iloczyn rosnącego I i bardziej energicznie malejącego R) zmniejsza się ... i jest to równoważne z dodawaniem napięcia. To jest sztuczka - zmniejszenie straty to w rzeczywistości zysk .

Zobacz także: Wyjaśnianie zjawiska ujemnej oporności różnicowej

Absolutny opór ujemny jest wykonywany w bardziej naturalny sposób - przez dynamiczne źródło napięcia (obwód elektroniczny). Zmienia napięcie proporcjonalnie do prądu (jak rezystor dodatni), ale dodaje go do napięcia wejściowego (zamiast odjąć). W celu dodania napięcie to ma przeciwną biegunowość; stąd nazwa tego obwodu - „przetwornik ujemnej impedancji inwersji napięcia” (VNIC).

Zobacz także: Badanie trybu liniowego przetworników o ujemnej impedancji z odwróceniem napięcia

„Fizycznym znaczeniem rezystancji ujemnej” jest więc „rezystor dynamiczny” lub „źródło dynamiczne”. Ale jaki jest sens tego wszystkiego? Do czego można zastosować opór ujemny?

Opór ujemny może zrekompensować równoważny opór dodatni . Na przykład, jeśli połączymy szeregowo rezystor ujemny w kształcie litery S z rezystorem dodatnim o tej samej rezystancji, rezystancja równoważna wyniesie zero. Mówiąc obrazowo, rezystancja ujemna „zniszczyła” rezystancję dodatnią, a połączenie dwóch rezystorów działa jak kawałek drutu. Matematycznie jest to po prostu R - R = 0… ale my, ludzie, potrzebujemy bardziej „fizycznego” wyjaśnienia… a oto:

• Różnicowy opór ujemny . Jeśli źródło wejściowe próbuje zwiększyć prąd, spadek napięcia na rezystorze dodatnim rośnie i powinien wpływać na prąd. Ale rezystor ujemny gwałtownie zmniejsza swoją rezystancję, aby zmniejszyć spadek napięcia na sobie o tę samą wartość. Całkowite napięcie w całej sieci nie zmienia się; zachowuje się jak dioda Zenera o zerowej rezystancji różnicowej. Tak więc różnicowy rezystor ujemny kompensuje zmianę spadku napięcia na rezystorze dodatnim ... nie sam spadek.
• Absolutny opór ujemny . Kompensuje cały spadek napięcia na rezystorze dodatnim (nie tylko zmianę) poprzez wprowadzenie tego samego napięcia. W tym celu wykorzystuje dodatkowe źródło napięcia o przeciwnej biegunowości. Całkowite napięcie w całej sieci jest nie tylko stałe, ale zerowe. Sieć naprawdę zachowuje się jak „kawałek drutu” i nie hamuje prądu. Popularnymi przykładami tego układu są wzmacniacz transimpedancyjny i wzmacniacz odwracający, w którym wyjście wzmacniacza operacyjnego działa jak absolutny ujemny „opornik”. Niszczy rezystancję sprzężenia zwrotnego, kompensując spadek napięcia na nim równym napięciem.

Zwykłe źródło napięcia nie jest ujemnym „rezystorem”, ponieważ jego napięcie nie zmienia się proporcjonalnie do prądu ... nie jest dynamiczne ... jest stałe. Możemy raczej myśleć o tym jako o „diodzie Zenera”.

Prawdopodobnie zainteresowana dyskusja w ResearchGate będzie dla Ciebie interesująca:

I dlaczego są jeszcze dwa rodzaje negatywnego oporu?

Idealny rezystor ujemny jest niemożliwy, ale urządzenie może mieć ujemną charakterystykę rezystancji w ograniczonym zakresie.

Rezystancja urządzenia nieliniowego jest różna i przy danym napięciu rezystancja równoważna jest równa nachyleniu linii. Jeśli nachylenie jest ujemne w zakresie, zakres ten ma opór ujemny.

Odnośnie zdania:

Gdzieś przeczytałem, że przykładem komponentu o ujemnej rezystancji jest źródło napięcia.

Wydaje mi się, że „źródło napięcia o ujemnej rezystancji” jest kluczowym błędem.

Błąd jest prawdopodobnie następujący:

Normalne źródło dostarcza U = U0 - R I.

Jeśli U0 jest ustawione na 0 woltów, wówczas wyrażenie staje się U = -R I.

Kusi nas, aby pomyśleć, że rezystor jest ujemny.

W rzeczywistości znak minus pochodzi z konwencji używanych do opisania znaku U i I. Konwencje te są różne dla źródeł i elementów pasywnych

Głównie, a przede wszystkim w życiu codziennym, konwencja ta to „Konwencja aktywnych znaków” dla źródeł i „konwencja pasywnych znaków” dla rezystorów ( link Wiki )

Wiele osób nie zdaje sobie sprawy, że nie stosują tej samej konwencji, pisząc U = U0 - RI dla źródła i U = RI dla rezystora

Wejścia przetwornicy DC-DC są dobrym przykładem ujemnej rezystancji. Gdy napięcie spada, prąd wzrasta, aby zapewnić tę samą moc wyjściową. Obwód wzmacniacza operacyjnego może również wytworzyć ujemny opór.

W prosty sposób rezystancja jest stosunkiem napięcia do prądu, jeśli wykreślisz napięcie w stosunku do prądu obecnego w określonym składniku, rezystancja pojawi się jako nachylenie między tymi zmiennymi. Fizycznie rezystancja dodatnia oznacza, że ​​jeżeli napięcie komponentu wzrośnie, to przepływający przez niego prąd również wzrośnie, w przeciwnym razie rezystancja ujemna oznacza, że ​​gdy napięcie komponentu wzrośnie, prąd spadnie.