Apa arti fisik dari perlawanan negatif?

Saya agak bingung tentang arti fisik resistensi negatif.

Secara matematis, komponen yang memiliki resistansi negatif menunjukkan penurunan tegangan di terminalnya ketika arus di dalamnya tumbuh, dan sebaliknya. Tetapi bagaimana ini mungkin secara fisik?

Di suatu tempat saya telah membaca bahwa contoh komponen dengan resistansi negatif adalah sumber tegangan. Tapi saya tidak mengerti pernyataan ini, karena sumber tegangan adalah komponen yang paling banyak menunjukkan resistansi internal (positif).

Ada sejumlah mekanisme yang menghasilkan suatu daerah di mana tegangan yang meningkat secara lokal menghasilkan penurunan arus secara lokal. Misalnya, dioda Esaki (terowongan) .

Contoh umum adalah catu daya switching dengan beban tetap. Dengan asumsi efisiensi lebih atau kurang konstan, meningkatkan tegangan input menghasilkan lebih sedikit arus yang ditarik. Itu selalu mengkonsumsi energi.

Komponen yang berdiri sendiri yang menunjukkan resistensi negatif (bukan resistensi diferensial negatif) tidak dimungkinkan tanpa semacam sumber energi dalam komponen, jika tidak maka akan melanggar konservasi energi ( $P = E^2/R$ ) dan P negatif akan menunjukkannya. bertindak sebagai sumber listrik.

Jika Anda ingin bermain dengan efek resistensi negatif, salah satu cara (dengan asumsi Anda tidak keberatan salah satu ujungnya dibumikan) adalah dengan menggunakan konverter impedansi negatif :

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Sirkuit di atas bertindak seperti resistor -10K dengan satu ujung ground (dalam rentang liniernya), dan bekerja hingga sekitar nol volt. Setiap daya yang dihasilkannya berasal dari pasokan op-amp.

Dalam konteks ini, kita harus membedakan antara (1) diferensial murni (dinamis) negatif. resistensi (seperti yang ditunjukkan dalam contoh jawaban lain) dan (b) resistensi negatif statis .

Untuk neg diferensial. resistensi (rdiff) PERUBAHAN saat ini adalah negativ, untuk neg statis. resistensi CURRENT itu sendiri memiliki tanda negatif.

Jawaban saya berikut hanya menyangkut resistor negatif statis:

Elemen semacam itu tidak "mengonsumsi" arus - digerakkan oleh sumber tegangan, tetapi - sebaliknya - ia menggerakkan arus (penyangga tegangan) dengan arah berlawanan ke sumber tegangan.

Karenanya. itu adalah sumber arus yang dikendalikan tegangan . Untuk sirkuit seperti itu hanya realisasi aktif yang dimungkinkan (menggunakan transistor atau - dalam banyak kasus - opamps). Sirkuit yang paling populer adalah NIC (Negative-Impedance Converter) .

Yang ditunjukkan di sini adalah blok "Typ-A" NIC. Resistor pentanahan (impedansi) R3 dikonversi menjadi resistor negatif (impedansi) dengan faktor konversi (-R1 / R2). Jenis ini adalah hubungan arus pendek. Stabil. (Hasil NIC stabil sirkuit terbuka untuk input opamp yang dipertukarkan).

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Komentar: NIC yang ditampilkan stabil selama resistansi sumber dari sumber tegangan (tidak ditunjukkan pada gambar) lebih kecil dari R1. Blok NIC ini digunakan untuk filter undamping, osilator dan sistem lain dengan resistensi positif (parasit) yang tidak diinginkan. Secara matematis, mereka dapat diperlakukan sebagai resistor "normal" dalam kombinasi seri dan paralel - namun, dengan tanda negatif, tentu saja.

Aplikasi yang sangat populer adalah "integrator NIC" (atau "integrator Deboo"), di mana blok NIC terhubung ke simpul umum dari lowpass RC sederhana. Dalam hal ini, NIC dapat mengkompensasi pos. resistor R - dengan demikian menyerupai sumber arus yang memuat kapasitor intergating.

Di suatu tempat saya telah membaca bahwa contoh komponen dengan resistansi negatif adalah sumber tegangan. Tapi saya tidak mengerti pernyataan ini, karena sumber tegangan adalah komponen yang paling banyak menunjukkan resistansi internal (positif).

Mungkin sumber tegangan disebutkan, karena kita semua tahu bahwa sumber tegangan ideal harus memiliki nol resistansi internal: yang baik akan memiliki resistansi positif kecil, yang ditambahkan setiap resistansi kawat ke beban.

Untuk pasokan yang diatur secara elektronik, adalah mungkin untuk memaksa resistansi keluaran melewati nol ke daerah resistansi negatif. Hal ini dilakukan dengan merutekan beberapa arus beban sehingga simpul tegangan pengatur diatur sedemikian rupa sehingga tegangan output dipaksa naik. Contoh regulator LM317 umum yang memiliki resistansi keluaran negatif ditunjukkan di bawah ini - berhati-hatilah, beberapa beban menghasilkan hasil yang liar:

$R_{load}$

• pada 5 ohm, penurunan tegangan Rload adalah 4.322V

• pada 15 ohm, penurunan tegangan Rload adalah 3.993V

Hasil dari resistor 1-ohm itu, (dan arah arus Rload melewatinya) memaksa pasokan tegangan ini memiliki resistansi negatif: pada beban yang lebih berat, tegangan output naik. Peningkatan tegangan ini dapat mengkompensasi penurunan tegangan pada resistansi kawat.

Apa pun yang turun tegangan dengan kenaikan arus memiliki resistansi negatif.

Sumber daya memiliki properti ini. Komponen pasif dengan resistensi negatif tambahan meliputi; setiap bola atau busur pelepasan gas, dioda efek Longsor, Dioda Terowongan, SCR selama fase pemicu.

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

Tetapi bagaimana ini mungkin secara fisik?

Beberapa komponen, seperti dioda Esaki dan tabung cahaya, memiliki kurva IV yang sepenuhnya berada di kuadran I dan III, tetapi memiliki daerah lereng negatif pada rentang terbatas. Di wilayah ini, model sinyal kecil pada perangkat akan memiliki resistansi negatif.

( sumber gambar )

Dalam dioda Esaki, perilaku ini disebabkan oleh arus tunneling yang dimungkinkan pada bias rendah tetapi tidak pada tegangan bias lebih tinggi.

Dimungkinkan juga untuk membuat rangkaian op-amp dengan resistansi input negatif pada rentang terbatas. Di sana kurva IV bahkan dapat melewati kuadran II dan IV karena daya dapat disuplai dari terminal daya op-amp.

Di suatu tempat saya telah membaca bahwa contoh komponen dengan resistansi negatif adalah sumber tegangan.

Melihat sisi input dari pasokan switching diatur dengan beban tetap, itu akan sering muncul sebagai hambatan negatif.

Ini karena ini adalah beban daya konstan. Jika tegangan input turun, rangkaian regulator akan meningkatkan arus yang ditarik untuk terus memasok beban dengan tegangan output yang diinginkan.

Meskipun perlawanan negatif terselubung dalam misteri, sebenarnya itu adalah konsep yang cukup sederhana. Hal ini dapat dengan mudah dijelaskan dengan menganalisis penurunan tegangan melintasi resistansi.

Resistor positif mengurangi penurunan tegangan dari tegangan input sehingga mengurangi arus sedangkan resistor negatif (berbentuk S) menambahkan penurunan tegangan ke tegangan input sehingga meningkatkan arus. Jadi resistansi positif terhambat sementara resistansi negatif membantu arus.

Pertanyaan utamanya adalah, "Bagaimana resistor negatif menambah tegangannya?" Ada dua teknik untuk melakukannya yang mengarah pada dua jenis resistensi negatif - diferensial dan absolut .

Resistor diferensial negatif , pada dasarnya, adalah resistor positif yang mengurangi drop tegangan V = IR dari tegangan input. Tetapi berbeda dengan resistor positif yang memiliki resistansi konstan, ini adalah resistor dinamis yang secara signifikan mengurangi resistansi ketika arus sedikit meningkat. Akibatnya, alih-alih meningkat, penurunan tegangan (produk dari peningkatan I dan semakin berkurang R) menurun ... dan ini setara dengan menambah tegangan. Ini triknya - mengurangi kerugian sebenarnya adalah keuntungan .

Lihat juga: Demystifying Fenomena Perlawanan Diferensial Negatif

Resistensi negatif absolut dilakukan dengan cara yang lebih alami - oleh sumber tegangan dinamis (sirkuit elektronik). Ini mengubah tegangan secara proporsional ke arus (seperti resistor positif) tetapi menambahkannya ke tegangan input (bukan untuk mengurangi). Untuk tujuan penambahan, tegangan ini memiliki polaritas yang berlawanan; maka nama sirkuit ini - "konverter impedansi negatif inversi negatif" (VNIC).

Lihat juga: Menyelidiki Mode Linear dari Konverter Impedansi Negatif dengan Inversi Tegangan

Jadi, "makna fisik dari resistensi negatif" adalah "resistor dinamis" atau "sumber dinamis". Tapi apa gunanya semua ini? Untuk apa resistensi negatif dapat digunakan?

Resistensi negatif dapat mengkompensasi resistensi positif yang setara . Sebagai contoh, jika kita menghubungkan resistor negatif berbentuk S secara seri ke resistor positif dengan resistansi yang sama, resistansi ekivalen akan menjadi nol. Secara kiasan, resistensi negatif telah "menghancurkan" resistensi positif dan kombinasi dua resistor bertindak sebagai sepotong kawat. Secara matematis, itu hanya R - R = 0 ... tetapi kita, manusia, membutuhkan penjelasan yang lebih "fisik" ... dan itu dia:

• Perlawanan negatif diferensial . Jika sumber input mencoba untuk meningkatkan arus, jatuh tegangan melintasi resistor positif meningkat dan akan mempengaruhi arus. Tetapi resistor negatif dengan kuat menurunkan resistansi untuk mengurangi penurunan tegangan dengan nilai yang sama. Tegangan total di seluruh jaringan tidak berubah; itu berperilaku seperti dioda Zener dengan nol perlawanan diferensial. Jadi resistor negatif diferensial mengkompensasi perubahan drop tegangan pada resistor positif ... bukan penurunan yang sebenarnya.
• Resistensi negatif absolut . Ini mengkompensasi penurunan tegangan seluruh resistor positif (tidak hanya perubahan) dengan memasukkan tegangan yang sama. Untuk tujuan ini, ia menggunakan sumber tegangan tambahan dengan polaritas yang berlawanan. Tegangan total di seluruh jaringan tidak hanya konstan tetapi juga nol. Jaringan benar-benar berperilaku sebagai "sepotong kawat" dan tidak menghalangi arus. Contoh populer dari pengaturan ini adalah penguat transimpedansi dan penguat pembalik di mana keluaran op-amp bertindak sebagai "resistor" absolut negatif. Ini menghancurkan resistansi umpan balik dengan mengkompensasi penurunan tegangan di atasnya dengan tegangan yang sama.

Sumber tegangan biasa bukan "resistor" negatif karena tegangannya tidak berubah secara proporsional dengan arus ... itu tidak dinamis ... itu konstan. Sebaliknya kita dapat menganggapnya sebagai semacam "dioda Zener".

Kemungkinan diskusi terkait di ResearchGate akan menarik bagi Anda:

Dan mengapa ada dua jenis resistensi negatif lagi?

Resistor negatif sempurna tidak mungkin, tetapi perangkat dapat memiliki karakteristik resistansi negatif pada rentang terbatas.

Tahanan perangkat non-linier bervariasi dan pada tegangan yang diberikan resistensi setara sama dengan kemiringan garis. Jika kemiringan negatif dalam rentang, rentang tersebut memiliki resistensi negatif.

Tentang hukuman:

Di suatu tempat saya telah membaca bahwa contoh komponen dengan resistansi negatif adalah sumber tegangan.

Saya kira "sumber tegangan dengan resistansi negatif" adalah salah pengertian yang penting.

Kesalahannya mungkin sebagai berikut:

Sumber normal menghasilkan U = U0 - R I.

Jika U0 diatur ke 0 Volts, maka ekspresi menjadi U = -R I.

Seseorang tergoda untuk berpikir bahwa resistor itu negatif.

Faktanya, tanda minus berasal dari konvensi yang digunakan untuk menggambarkan tanda U dan I. Konvensi ini berbeda untuk sumber dan komponen pasif.

Sebagian besar, dan terutama dalam kehidupan sehari-hari, konvensi ini adalah "konvensi tanda aktif" untuk sumber dan "konvensi tanda pasif" untuk resistor ( tautan Wiki )

Banyak orang tidak menyadari bahwa mereka tidak menggunakan konvensi yang sama ketika mereka menulis U = U0 - RI untuk sumber dan U = RI untuk resistor

Input Konverter DC-DC adalah contoh resistensi negatif yang baik. Ketika tegangan turun, arus meningkat untuk memberikan output daya yang sama. Juga resistensi negatif dapat dibuat oleh rangkaian op amp.

Secara sederhana, resistansi adalah rasio antara tegangan dan arus, jika Anda merencanakan tegangan terhadap arus yang ada di komponen tertentu, resistansi akan muncul sebagai kemiringan di antara variabel-variabel ini. Secara fisik, resistansi positif berarti bahwa jika tegangan komponen naik, arus yang mengalir juga naik, jika tidak, resistansi negatif berarti bahwa ketika tegangan komponen naik, arus menurun.