Ý nghĩa vật lý của kháng chiến tiêu cực là gì?

Tôi hơi bối rối về ý nghĩa vật lý của kháng chiến tiêu cực.

Về mặt toán học, một thành phần có điện trở âm cho thấy điện áp giảm trên thiết bị đầu cuối của nó khi dòng điện bên trong nó phát triển và ngược lại. Nhưng làm thế nào là vật lý này có thể?

Ở đâu đó tôi đã đọc rằng một ví dụ về thành phần có điện trở âm là nguồn điện áp. Nhưng tôi không hiểu tuyên bố này, vì nguồn điện áp là một thành phần mà hầu hết cho thấy điện trở trong (dương).

Có một số cơ chế dẫn đến một khu vực nơi điện áp tăng cục bộ dẫn đến dòng điện giảm cục bộ. Ví dụ, một diode Esaki (đường hầm) .

Một ví dụ phổ biến sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi với tải ổn định. Giả sử hiệu suất không đổi ít nhiều, làm tăng điện áp đầu vào dẫn đến dòng điện được rút ra ít hơn. Nó luôn luôn tiêu thụ năng lượng mặc dù.

Không thể có thành phần độc lập thể hiện điện trở âm (chứ không phải là điện trở âm) nếu không có nguồn năng lượng nào đó trong thành phần, nếu không, nó sẽ vi phạm bảo tồn năng lượng ( $P = E^2/R$ ) và P âm sẽ chỉ ra điều đó đang hoạt động như một nguồn năng lượng.

Nếu bạn muốn chơi với hiệu ứng kháng âm, một cách (giả sử bạn không bận tâm đến một đầu bị nối đất) là sử dụng bộ chuyển đổi trở kháng âm :

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Mạch trên hoạt động giống như một điện trở -10K với một đầu nối đất (trong phạm vi tuyến tính của nó) và hoạt động xuống khoảng 0 volt. Bất kỳ sức mạnh nào nó tạo ra đều đến từ các nguồn cung cấp op-amp.

Trong bối cảnh này, chúng ta phải phân biệt đối xử giữa (1) tinh khiết khác biệt (năng động) neg. điện trở (như thể hiện trong các ví dụ của các câu trả lời khác) và (b) một điện trở âm.

Đối với một âm khác biệt. điện trở (ndiff) các THAY ĐỔI hiện tại là negativ, cho một phủ định tĩnh. Kháng chiến HIỆN TẠI có dấu hiệu tiêu cực.

Câu trả lời sau đây của tôi chỉ liên quan đến điện trở âm tĩnh:

Một phần tử như vậy không "tiêu thụ" một dòng điện - được điều khiển bởi một nguồn điện áp, nhưng - ngược lại - nó truyền một dòng điện (prop đến điện áp) theo hướng ngược lại vào nguồn điện áp.

Vì thế. nó là một nguồn hiện tại được kiểm soát điện áp . Đối với các mạch như vậy chỉ có thể thực hiện hoạt động (sử dụng bóng bán dẫn hoặc - trong hầu hết các trường hợp - opamp). Mạch phổ biến nhất là NIC (Bộ chuyển đổi âm trở) .

Trên đây là một khối "Kiểu chữ A". Điện trở nối đất (trở kháng) R3 được chuyển đổi thành điện trở âm (trở kháng) với hệ số chuyển đổi (-R1 / R2). Kiểu này là ngắn mạch. Ổn định. (Một kết quả NIC ổn định mạch mở cho các đầu vào opamp được hoán đổi).

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Nhận xét: NIC hiển thị ổn định miễn là điện trở nguồn của nguồn điện áp (không được hiển thị trong hình) nhỏ hơn R1. Các khối NIC này được sử dụng cho các bộ lọc tháo gỡ, bộ dao động và các hệ thống khác có điện trở dương (ký sinh) không mong muốn. Về mặt toán học, chúng có thể được coi là điện trở "bình thường" trong các kết hợp nối tiếp và song song - tuy nhiên, với một dấu hiệu tiêu cực, tất nhiên.

Một ứng dụng rất phổ biến là "Bộ tích hợp NIC" (hoặc "Bộ tích hợp Deboo"), trong đó một khối NIC được kết nối với nút chung của đường thông thấp RC đơn giản. Trong trường hợp này, NIC có thể bù pos. điện trở R - do đó giống như một nguồn hiện tại tải tụ điện xen kẽ.

Ở đâu đó tôi đã đọc rằng một ví dụ về thành phần có điện trở âm là nguồn điện áp. Nhưng tôi không hiểu tuyên bố này, vì nguồn điện áp là một thành phần mà hầu hết cho thấy điện trở trong (dương).

Có lẽ một nguồn điện áp được đề cập, bởi vì tất cả chúng ta đều biết rằng một nguồn điện áp lý tưởng nên có điện trở trong bằng 0: một nguồn tốt sẽ có điện trở dương nhỏ, được thêm vào bất kỳ điện trở dây nào đi vào tải.

Đối với nguồn cung cấp được điều chỉnh bằng điện tử, có thể buộc điện trở đầu ra vượt quá 0 vào vùng kháng âm. Điều này được thực hiện bằng cách định tuyến một số dòng tải để nút điều chỉnh điện áp được điều chỉnh theo hướng sao cho điện áp đầu ra bị ép lên. Một ví dụ về bộ điều chỉnh LM317 phổ biến có điện trở đầu ra âm được hiển thị bên dưới - hãy cẩn thận, một số tải tạo ra kết quả hoang dã:

$R_{load}$

• ở mức 5 ohms, điện áp rơi trên Rload là 4.322V

• ở 15 ohms, điện áp rơi trên Rload là 3.993V

Kết quả của điện trở 1 ohm đó, (và hướng của dòng điện Rload đi qua nó) buộc nguồn cung cấp điện áp này có điện trở âm: ở các tải nặng hơn, điện áp đầu ra tăng. Sự tăng điện áp này có thể bù cho sự sụt giảm điện áp trên điện trở dây.

Bất cứ thứ gì giảm điện áp khi tăng dòng điện đều có điện trở âm.

Nguồn điện có tài sản này. Các thành phần thụ động với sức đề kháng âm tăng dần bao gồm; bất kỳ bóng đèn xả khí hoặc hồ quang, điốt hiệu ứng Avalanche, Điốt đường hầm, SCR trong giai đoạn kích hoạt.

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

Nhưng làm thế nào là vật lý này có thể?

Một số thành phần, như điốt Esaki và ống phát sáng, có đường cong IV hoàn toàn nằm trong góc phần tư I và III, nhưng có vùng dốc âm trong phạm vi giới hạn. Trong khu vực này, một mô hình tín hiệu nhỏ của thiết bị sẽ có điện trở âm.

( nguồn hình ảnh )

Trong diode Esaki, hành vi này được gây ra bởi dòng điện đường hầm có thể có độ lệch thấp nhưng không phải ở điện áp phân cực cao hơn.

Cũng có thể tạo ra một mạch op-amp có điện trở đầu vào âm trong một phạm vi giới hạn. Ở đó, đường cong IV thậm chí có thể đi qua các góc phần tư II và IV vì nguồn có thể được cung cấp từ các đầu nối nguồn của op-amp.

Ở đâu đó tôi đã đọc rằng một ví dụ về thành phần có điện trở âm là nguồn điện áp.

Nhìn vào phía đầu vào của nguồn cung cấp chuyển mạch quy định với tải cố định, nó thường sẽ xuất hiện dưới dạng điện trở âm.

Điều này là do nó là một tải điện liên tục. Nếu điện áp đầu vào giảm, mạch điều chỉnh sẽ tăng dòng điện được rút ra để tiếp tục cung cấp tải với điện áp đầu ra mong muốn.

Mặc dù sự kháng cự tiêu cực được che giấu trong bí ẩn, nhưng thực tế nó là một khái niệm khá đơn giản. Nó có thể được giải thích dễ dàng bằng cách phân tích sự sụt giảm điện áp trên các điện trở.

Điện trở dương trừ điện áp rơi của nó khỏi điện áp đầu vào, do đó làm giảm dòng điện trong khi điện trở âm (hình chữ S) thêm điện áp rơi vào điện áp đầu vào do đó làm tăng dòng điện. Vì vậy, điện trở dương cản trở trong khi điện trở âm giúp dòng điện.

Câu hỏi chính là "Làm thế nào để điện trở âm thêm điện áp của nó?" Có hai kỹ thuật để làm điều đó dẫn đến hai loại kháng âm - vi phân và tuyệt đối .

Về bản chất, điện trở vi sai âm là một điện trở dương trừ đi điện áp rơi V = IR khỏi điện áp đầu vào. Nhưng trái ngược với điện trở dương có điện trở không đổi, nó là điện trở động làm giảm đáng kể điện trở khi dòng điện tăng nhẹ. Kết quả là, thay vì tăng, điện áp giảm (sản phẩm của I tăng và R giảm mạnh hơn) giảm ... và điều này tương đương với việc thêm điện áp. Đây là mẹo - giảm lỗ thực sự là lợi nhuận .

Xem thêm: Làm sáng tỏ Hiện tượng kháng phân biệt âm

Điện trở âm tuyệt đối được thực hiện theo cách tự nhiên hơn - bằng nguồn điện áp động (mạch điện tử). Nó thay đổi điện áp tỷ lệ thuận với dòng điện (như điện trở dương) nhưng thêm nó vào điện áp đầu vào (thay vào đó để trừ). Đối với mục đích bổ sung, điện áp này có cực tính ngược lại; do đó, tên của mạch này - bộ chuyển đổi trở kháng điện áp đảo ngược âm thanh điện tử (VNIC).

Xem thêm: Điều tra chế độ tuyến tính của bộ biến đổi trở kháng âm với nghịch đảo điện áp

Vì vậy, "ý nghĩa vật lý của điện trở âm" là "điện trở động" hoặc "nguồn động". Nhưng điểm của tất cả điều này là gì? Những kháng cự tiêu cực có thể được sử dụng cho?

Kháng âm có thể bù kháng tương đương dương . Ví dụ, nếu chúng ta kết nối một điện trở âm hình chữ S nối tiếp với một điện trở dương có cùng điện trở thì điện trở tương đương sẽ bằng không. Nói một cách hình tượng, điện trở âm đã "phá hủy" điện trở dương và sự kết hợp của hai điện trở hoạt động như một sợi dây. Về mặt toán học, nó chỉ đơn giản là R - R = 0, nhưng chúng ta, con người, cần một lời giải thích "vật lý" hơn ... và đó là:

• Kháng âm khác biệt . Nếu nguồn đầu vào cố gắng tăng dòng điện, điện áp rơi trên điện trở dương sẽ tăng và sẽ ảnh hưởng đến dòng điện. Nhưng điện trở âm làm giảm mạnh điện trở của nó để giảm điện áp rơi trên chính nó bằng cùng một giá trị. Tổng điện áp trên toàn bộ mạng không thay đổi; nó hoạt động như một diode Zener với điện trở vi sai bằng không. Vì vậy, điện trở âm khác biệt bù cho sự thay đổi của điện áp rơi trên điện trở dương ... không phải là sự sụt giảm.
• Kháng âm tuyệt đối . Nó bù toàn bộ điện áp rơi trên điện trở dương (không chỉ thay đổi) bằng cách chèn cùng một điện áp. Đối với mục đích này, nó sử dụng một nguồn điện áp bổ sung với cực ngược lại. Tổng điện áp trên toàn bộ mạng không chỉ không đổi mà bằng không. Mạng thực sự hoạt động như một "sợi dây" và không cản trở dòng điện. Các ví dụ phổ biến của sự sắp xếp này là bộ khuếch đại transimpedance và bộ khuếch đại đảo ngược trong đó đầu ra op-amp hoạt động như một "điện trở" âm tuyệt đối. Nó phá hủy điện trở phản hồi bằng cách bù điện áp rơi trên nó với điện áp bằng nhau.

Nguồn điện áp thông thường không phải là "điện trở" âm vì điện áp của nó không thay đổi tỷ lệ thuận với dòng điện ... nó không động ... nó không đổi. Thay vào đó chúng ta có thể nghĩ về nó như một loại "diode Zener".

Có khả năng các cuộc thảo luận liên quan trong ResearchGate sẽ được bạn quan tâm:

Và tại sao có thêm hai loại kháng âm?

Một điện trở âm hoàn hảo là không thể, nhưng một thiết bị có thể có các đặc tính kháng âm trong một phạm vi giới hạn.

Điện trở của một thiết bị phi tuyến tính khác nhau và ở một điện áp nhất định, điện trở tương đương bằng độ dốc của đường dây. Nếu độ dốc âm trong một phạm vi, phạm vi đó có điện trở âm.

Liên quan đến câu:

Ở đâu đó tôi đã đọc rằng một ví dụ về thành phần có điện trở âm là nguồn điện áp.

Tôi đoán rằng "nguồn điện áp có điện trở âm" là một sai sót nghiêm trọng.

Lỗi có thể là như sau:

Một nguồn bình thường cung cấp U = U0 - R I.

Nếu U0 được đặt thành 0 Volts, thì biểu thức trở thành U = -R I.

Một người bị cám dỗ để nghĩ rằng điện trở là âm.

Trong thực tế, dấu trừ xuất phát từ các quy ước được sử dụng để mô tả dấu hiệu của U và I. Các quy ước này khác nhau đối với các nguồn và các thành phần thụ động

Hầu hết, và trên hết trong cuộc sống hàng ngày, quy ước này là "quy ước dấu hiệu hoạt động" cho các nguồn và "quy ước dấu thụ động" cho điện trở ( liên kết Wiki )

Rất nhiều người không biết rằng họ không sử dụng cùng một quy ước khi họ viết U = U0 - RI cho một nguồn và U = RI cho một điện trở

Đầu vào Bộ chuyển đổi DC-DC là một ví dụ tốt về điện trở âm. Khi điện áp giảm, dòng điện tăng để cung cấp cùng một công suất. Ngoài ra một điện trở âm có thể được tạo ra bởi một mạch op amp.

Nói một cách đơn giản, điện trở là tỷ số giữa điện áp và dòng điện, nếu bạn vẽ điện áp so với dòng điện trong một thành phần nhất định, điện trở sẽ xuất hiện dưới dạng độ dốc giữa các biến này. Theo một cách vật lý, điện trở dương có nghĩa là nếu điện áp của một thành phần tăng thì dòng điện chạy qua cũng tăng, nếu không, điện trở âm có nghĩa là khi điện áp của một thành phần tăng thì dòng điện sẽ giảm.