Qual è il significato fisico della resistenza negativa?

Sono un po 'confuso sul significato fisico della resistenza negativa.

Matematicamente, un componente che ha una resistenza negativa mostra una tensione decrescente attraverso il suo terminale quando la corrente al suo interno cresce e viceversa. Ma come è fisicamente possibile?

Da qualche parte ho letto che un esempio di componente con resistenza negativa è una fonte di tensione. Ma non capisco questa affermazione, poiché una sorgente di tensione è un componente che al massimo mostra una resistenza interna (positiva).

Esistono numerosi meccanismi che determinano una regione in cui l'aumento di tensione locale comporta una riduzione della corrente a livello locale. Ad esempio, un diodo Esaki (tunnel) .

Un esempio comune sarebbe un alimentatore a commutazione con un carico costante. Supponendo che l'efficienza sia più o meno costante, aumentando la tensione di ingresso si ottiene una minore corrente assorbita. Tuttavia, consuma sempre energia.

Un componente autonomo che presenta resistenza negativa (anziché resistenza differenziale negativa) non è possibile senza un qualche tipo di fonte di energia all'interno del componente, altrimenti violerebbe la conservazione dell'energia ( ) e P negativo agisce come fonte di energia.$P = E^2/R$

Se vuoi giocare con un effetto di resistenza negativa, un modo (supponendo che non ti dispiaccia che un'estremità sia messa a terra) è usare un convertitore di impedenza negativa :

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Il circuito sopra si comporta come un resistore da -10K con un'estremità messa a terra (nel suo intervallo lineare) e funziona fino a circa zero volt. Qualsiasi potenza che produce proviene dagli alimentatori operazionali.

In questo contesto, dobbiamo discriminare tra (1 ) neg puro differenziale (dinamico). resistenze (come mostrato negli esempi delle altre risposte) e (b) una resistenza statica negativa.

Per un neg differenziale. resistenza (rdiff) i CAMBIAMENTI attuali sono negativi, per un neg statico. resistenza la CORRENTE stessa ha un segno negativo.

La mia risposta seguente riguarda solo la resistenza negativa statica:

Un tale elemento non "consuma" una corrente - guidata da una sorgente di tensione, ma - viceversa - guida una corrente (prop. Alla tensione) in una direzione opposta alla sorgente di tensione.

Quindi. è una sorgente di corrente controllata in tensione . Per tali circuiti sono possibili solo realizzazioni attive (usando transistor o - nella maggior parte dei casi - opamps). Il circuito più popolare è il NIC (Negative-Impedance Converter) .

Qui è mostrato un blocco NIC "Tipo A". La resistenza messa a terra (impedenza) R3 viene convertita in una resistenza negativa (impedenza) con un fattore di conversione (-R1 / R2). Questo tipo è short-circuit.stable. (Una scheda NIC stabile a circuito aperto risulta per ingressi opamp intercambiati).

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Commenti: la scheda NIC mostrata è stabile fintanto che la resistenza della sorgente di tensione (non mostrata nella figura) è inferiore a R1. Questi blocchi NIC vengono utilizzati per filtri di smorzamento, oscillatori e altri sistemi con resistenze positive (parassite) indesiderate. Matematicamente, possono essere trattati come resistori "normali" in combinazioni in serie e parallele - tuttavia, con un segno negativo, ovviamente.

Un'applicazione molto popolare è "NIC integrator" (o "Deboo integrator"), in cui un blocco NIC è collegato al nodo comune di un semplice passa-basso RC. In questo caso, la scheda di rete può compensare la pos. resistenza R - simile a una sorgente di corrente che carica il condensatore di intergazione.

Da qualche parte ho letto che un esempio di componente con resistenza negativa è una fonte di tensione. Ma non capisco questa affermazione, poiché una sorgente di tensione è un componente che al massimo mostra una resistenza interna (positiva).

Forse viene menzionata una sorgente di tensione , perché sappiamo tutti che una sorgente di tensione ideale dovrebbe avere una resistenza interna pari a zero: una buona avrà una piccola resistenza positiva, alla quale viene aggiunta qualsiasi resistenza del filo che va al carico.

Per un'alimentazione regolata elettronicamente, è possibile forzare la resistenza di uscita oltre lo zero nella regione di resistenza negativa. Questo viene fatto instradando parte della corrente di carico in modo che il nodo di regolazione della tensione sia regolato in una direzione tale da forzare la tensione di uscita. Di seguito viene mostrato un esempio del comune regolatore LM317 con resistenza di uscita negativa: attenzione, alcuni carichi producono risultati selvaggi:

$R_{load}$

• a 5 ohm, la caduta di tensione su Rload è di 4,322 V.

• a 15 ohm, la caduta di tensione su Rload è di 3,993 V.

Il risultato di quel resistore da 1 ohm, (e la direzione della corrente di Rload che lo attraversa) forza questa alimentazione di tensione ad avere una resistenza negativa: a carichi più pesanti, la tensione di uscita aumenta. Questo aumento di tensione può compensare la caduta di tensione attraverso la resistenza del filo.

Qualsiasi cosa che cali di tensione con un aumento della corrente ha una resistenza negativa.

Le fonti di energia hanno questa proprietà. I componenti passivi con resistenza negativa incrementale includono; qualsiasi lampadina o arco a scarica di gas, diodi ad effetto valanga, diodi a tunnel, SCR durante la fase di innesco.

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

Ma come è fisicamente possibile?

Alcuni componenti, come i diodi Esaki e i tubi a incandescenza, hanno una curva IV che è interamente nei quadranti I e III, ma ha una regione di pendenza negativa su un intervallo limitato. In questa regione, un modello a segnale piccolo del dispositivo avrà resistenza negativa.

( fonte immagine )

Nel diodo Esaki, questo comportamento è causato dal tunneling di corrente che è possibile a bassa polarizzazione ma non a una maggiore tensione di polarizzazione.

È anche possibile realizzare un circuito operazionale con resistenza di ingresso negativa su un intervallo limitato. Lì la curva IV può persino passare attraverso i quadranti II e IV poiché l'alimentazione può essere fornita dai terminali di potenza dell'amplificatore operazionale.

Da qualche parte ho letto che un esempio di componente con resistenza negativa è una fonte di tensione.

Osservando il lato di ingresso di un'alimentazione di commutazione regolata con un carico fisso, apparirà spesso come una resistenza negativa.

Questo perché è un carico di potenza costante. Se la tensione di ingresso diminuisce, il circuito del regolatore aumenterà la corrente assorbita per continuare a fornire al carico la tensione di uscita desiderata.

Sebbene la resistenza negativa sia velata nel mistero, in realtà è un concetto abbastanza semplice. Può essere facilmente spiegato analizzando le cadute di tensione tra le resistenze.

Il resistore positivo sottrae la sua caduta di tensione dalla tensione di ingresso diminuendo così la corrente mentre il resistore negativo (a forma di S) aggiunge la sua caduta di tensione alla tensione di ingresso aumentando così la corrente. Quindi la resistenza positiva ostacola mentre la resistenza negativa aiuta la corrente.

La domanda principale è "In che modo la resistenza negativa aggiunge la sua tensione?" Ci sono due tecniche per farlo che portano ai due tipi di resistenza negativa: differenziale e assoluto .

Il resistore differenziale negativo è, in sostanza, un resistore positivo che sottrae la sua caduta di tensione V = IR dalla tensione di ingresso. Ma a differenza del resistore positivo che ha una resistenza costante, è un resistore dinamico che riduce significativamente la sua resistenza quando la corrente aumenta leggermente. Di conseguenza, invece di aumentare, la caduta di tensione (il prodotto della I crescente e la R più vigorosamente decrescente) diminuisce ... e questo equivale ad aggiungere tensione. Questo è il trucco: ridurre la perdita è in realtà un profitto .

Vedi anche: Demistificare il fenomeno negativo della resistenza differenziale

La resistenza negativa assoluta viene eseguita in modo più naturale - da una sorgente di tensione dinamica (circuito elettronico). Cambia la sua tensione proporzionalmente alla corrente (come una resistenza positiva) ma la aggiunge alla tensione di ingresso (invece di sottrarre). Ai fini dell'aggiunta, questa tensione ha una polarità opposta; da qui il nome di questo circuito - "convertitore di impedenza negativa di inversione di tensione" (VNIC).

Vedi anche: Analisi della modalità lineare dei convertitori di impedenza negativa con inversione di tensione

Quindi, il "significato fisico della resistenza negativa" è "resistenza dinamica" o "sorgente dinamica". Ma che senso ha tutto questo? Per quale resistenza negativa si può usare?

La resistenza negativa può compensare la resistenza positiva equivalente . Ad esempio, se colleghiamo un resistore negativo a forma di S in serie a un resistore positivo con la stessa resistenza, la resistenza equivalente sarà zero. In senso figurato, la resistenza negativa ha "distrutto" la resistenza positiva e la combinazione di due resistori agisce come un pezzo di filo. Matematicamente, è semplicemente R - R = 0 ... ma noi, esseri umani, abbiamo bisogno di una spiegazione più "fisica" ... ed eccola:

• Resistenza negativa differenziale . Se la sorgente di ingresso tenta di aumentare la corrente, la caduta di tensione sul resistore positivo aumenta e dovrebbe influire sulla corrente. Ma il resistore negativo riduce vigorosamente la sua resistenza per ridurre la caduta di tensione su se stesso dello stesso valore. La tensione totale su tutta la rete non cambia; si comporta come un diodo Zener con resistenza differenziale zero. Quindi il resistore negativo differenziale compensa il cambiamento della caduta di tensione attraverso il resistore positivo ... non proprio la caduta.
• Assoluta resistenza negativa . Compensa l'intera caduta di tensione attraverso il resistore positivo (non solo la modifica) inserendo la stessa tensione. A tale scopo, utilizza una sorgente di tensione aggiuntiva con polarità opposta. La tensione totale su tutta la rete non è solo costante ma zero. La rete si comporta davvero come un "pezzo di filo" e non impedisce la corrente. Esempi popolari di questa disposizione sono l'amplificatore di transimpedenza e l'amplificatore di inversione in cui l'uscita dell'op-amp funge da "resistore" assoluto negativo. Distrugge la resistenza di retroazione compensando la caduta di tensione attraverso di essa con uguale tensione.

La normale sorgente di tensione non è un "resistore" negativo poiché la sua tensione non cambia proporzionalmente alla corrente ... non è dinamica ... è costante. Piuttosto possiamo pensarlo come una sorta di "diodo Zener".

È probabile che la discussione correlata in ResearchGate ti interesserà:

E perché ci sono altri due tipi di resistenza negativa?

Una resistenza negativa perfetta è impossibile, ma un dispositivo può avere caratteristiche di resistenza negativa su un intervallo limitato.

La resistenza di un dispositivo non lineare varia e ad una data tensione la resistenza equivalente è uguale alla pendenza della linea. Se la pendenza è negativa in un intervallo, tale intervallo ha una resistenza negativa.

Per quanto riguarda la frase:

Da qualche parte ho letto che un esempio di componente con resistenza negativa è una fonte di tensione.

Immagino che la "sorgente di tensione con una resistenza negativa" sia un malinteso cruciale.

L'errore è probabilmente il seguente:

Una sorgente normale eroga U = U0 - R I.

Se U0 è impostato su 0 Volt, allora l'espressione diventa U = -R I.

Si è tentati di pensare che il resistore sia negativo.

In effetti, il segno meno deriva dalle convenzioni utilizzate per descrivere il segno di U e I. Queste convenzioni sono diverse per le fonti e i componenti passivi

Principalmente, e soprattutto nella vita di tutti i giorni, questa convenzione è la "Convenzione sui segni attivi" per le fonti e la "Convenzione sui segni passivi" per i resistori ( collegamento Wiki )

Molte persone non sono consapevoli del fatto che non usano la stessa convenzione quando scrivono U = U0 - RI per una sorgente e U = RI per una resistenza

Gli ingressi del convertitore CC-CC sono un buon esempio di resistenza negativa. Quando la tensione diminuisce, la corrente aumenta per fornire la stessa potenza. Anche una resistenza negativa può essere creata da un circuito di amplificazione operazionale.

In modo semplice, la resistenza è il rapporto tra tensione e corrente, se si traccia la tensione rispetto alla corrente presente in un determinato componente, la resistenza apparirà come la pendenza tra queste variabili. In modo fisico, una resistenza positiva significa che se la tensione di un componente aumenta, aumenta anche la corrente che scorre, altrimenti una resistenza negativa significa che quando la tensione di un componente aumenta, la corrente diminuisce.