ความหมายทางกายภาพของความต้านทานเชิงลบคืออะไร?

ฉันสับสนเล็กน้อยเกี่ยวกับความหมายทางกายภาพของการต่อต้านเชิงลบ

ในทางคณิตศาสตร์ส่วนประกอบที่มีความต้านทานเชิงลบจะแสดงแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงทั่วทั้งอาคารเมื่อกระแสภายในเพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน แต่สิ่งนี้เป็นไปได้ทางร่างกายอย่างไร

ที่ไหนสักแห่งฉันได้อ่านว่าตัวอย่างขององค์ประกอบที่มีความต้านทานเชิงลบคือแหล่งกำเนิดแรงดัน แต่ฉันไม่เข้าใจคำแถลงนี้เนื่องจากแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบซึ่งส่วนใหญ่แสดงความต้านทานภายใน (บวก)

มีกลไกหลายอย่างที่ส่งผลให้เกิดภูมิภาคซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นในพื้นที่ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าลดลงในท้องถิ่น ตัวอย่างเช่นEsaki (อุโมงค์) ไดโอด

ตัวอย่างทั่วไปจะเป็นแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งที่มีโหลดคงที่ สมมติว่าประสิทธิภาพมีค่าคงที่มากหรือน้อยกว่าการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอินพุตส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าน้อยลง มันมักจะใช้พลังงาน

องค์ประกอบแบบสแตนด์อะโลนที่แสดงความต้านทานเชิงลบ (แทนที่จะเป็นค่าความต้านทานเชิงลบ) เป็นไปไม่ได้หากไม่มีแหล่งพลังงานบางอย่างภายในองค์ประกอบมิฉะนั้นจะเป็นการละเมิดการอนุรักษ์พลังงาน ( $P = E^2/R$ ) และลบ P จะระบุว่า กำลังทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงาน

หากคุณต้องการเล่นโดยมีเอฟเฟกต์ความต้านทานเป็นลบวิธีหนึ่ง (สมมติว่าคุณไม่ทราบว่าปลายด้านหนึ่งถูกต่อลงดิน) คือการใช้ตัวแปลงอิมพีแดนซ์เชิงลบ :

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

วงจรด้านบนทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทาน -10K ที่มีการต่อลงดินเพียงด้านเดียว (อยู่ในช่วงเชิงเส้น) และทำงานลงได้ถึงศูนย์โวลต์ พลังงานใด ๆ ที่เกิดขึ้นนั้นมาจากอุปกรณ์ op-amp

ในบริบทนี้เราจะต้องแยกแยะระหว่าง (1) ความแตกต่างบริสุทธิ์(ไดนามิก) neg ความต้านทาน (ดังแสดงในตัวอย่างของคำตอบอื่น ๆ ) และ (ข) คงต้านทานเชิงลบ

สำหรับค่าลบที่ต่างกัน ความต้านทาน (rdiff) การเปลี่ยนแปลงปัจจุบันคือ negativ, สำหรับการลบแบบคงที่ การต่อต้านกระแสในปัจจุบันมีเครื่องหมายลบ

คำตอบต่อไปนี้ของฉันเกี่ยวข้องกับตัวต้านทานแบบคงที่เชิงลบเท่านั้น:

องค์ประกอบดังกล่าวไม่ได้ "กิน" กระแส - ขับเคลื่อนโดยแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้า แต่ - อีกทางหนึ่งรอบ - มันขับกระแสไฟฟ้า (prop. ไปยังแรงดันไฟฟ้า) ในทิศทางตรงกันข้ามกับแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้า

ด้วยเหตุนี้ จะเป็นแหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันที่มีการควบคุม สำหรับวงจรดังกล่าวจะมีเพียงการรับรู้ที่แอ็คทีฟเท่านั้นที่เป็นไปได้ (โดยใช้ทรานซิสเตอร์หรือ - ในกรณีส่วนใหญ่ - opamps) วงจรนิยมมากที่สุดคือNIC (เชิงลบความต้านทาน Converter)

แสดงให้เห็นว่านี่คือบล็อก "Typ-A" NIC ตัวต้านทานต่อลงดิน (อิมพิแดนซ์) R3 จะถูกแปลงเป็นตัวต้านทานเชิงลบ (อิมพิแดนซ์) ด้วยตัวประกอบการแปลง (-R1 / R2) ประเภทนี้ลัดวงจรเสถียร (ผลการ NIC ที่มีเสถียรภาพของวงจรเปิดสำหรับอินพุต opamp แบบเปลี่ยนได้)

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ความคิดเห็น: NIC ที่แสดงมีความเสถียรตราบใดที่ความต้านทานแหล่งจ่ายแรงดัน (ไม่แสดงในรูป) มีขนาดเล็กกว่า R1 บล็อก NIC เหล่านี้ใช้สำหรับตัวกรอง undamping, oscillators และระบบอื่น ๆ ที่มีความต้านทานเชิงบวก (ปรสิต) ที่ไม่พึงประสงค์ ในทางคณิตศาสตร์พวกมันสามารถถือว่าเป็นตัวต้านทาน "ปกติ" ในอนุกรมและการรวมกันแบบขนาน - อย่างไรก็ตามมีเครื่องหมายลบแน่นอน

แอปพลิเคชันที่ได้รับความนิยมอย่างมากคือ "NIC integrator" (หรือ "Deboo integrator") ซึ่งบล็อก NIC นั้นเชื่อมต่อกับโหนดทั่วไปของ lowpass RC แบบธรรมดา ในกรณีนี้ NIC สามารถชดเชย pos ตัวต้านทาน R - คล้ายกับแหล่งจ่ายกระแสซึ่งโหลดตัวเก็บประจุ

ที่ไหนสักแห่งฉันได้อ่านว่าตัวอย่างขององค์ประกอบที่มีความต้านทานเชิงลบคือแหล่งกำเนิดแรงดัน แต่ฉันไม่เข้าใจคำแถลงนี้เนื่องจากแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบซึ่งส่วนใหญ่แสดงความต้านทานภายใน (บวก)

บางทีเราอาจกล่าวถึงแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเพราะเราทุกคนรู้ว่าแหล่งจ่ายแรงดันในอุดมคติควรมีความต้านทานภายในเป็นศูนย์: แหล่งที่ดีจะมีค่าความต้านทานเป็นบวกเล็กน้อยซึ่งจะเป็นการเพิ่มความต้านทานของสายใด ๆ

สำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่มีการควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์มันเป็นไปได้ที่จะบังคับความต้านทานเอาท์พุทที่ผ่านศูนย์ไปสู่ภูมิภาคความต้านทานเชิงลบ สิ่งนี้ทำได้โดยการกำหนดเส้นทางของโหลดปัจจุบันเพื่อให้สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมในทิศทางที่แรงดันเอาต์พุตถูกบังคับ ตัวอย่างของตัวควบคุม LM317 ทั่วไปที่มีความต้านทานเอาต์พุตเชิงลบแสดงอยู่ด้านล่าง - ระวังโหลดบางตัวให้ผลลัพธ์ที่ดี:

$R_{load}$

• ที่ 5 โอห์มแรงดันตกคร่อม Rload เท่ากับ 4.322V

• ที่ 15 โอห์มแรงดันตกคร่อม Rload เท่ากับ 3.993V

ผลที่ได้จากตัวต้านทาน 1 โอห์ม (และทิศทางของกระแสของ Rload จะผ่านไป) ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายนี้มีความต้านทานเชิงลบ: ที่โหลดที่หนักกว่าแรงดันเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้น การเพิ่มแรงดันไฟฟ้านี้สามารถชดเชยแรงดันตกคร่อมความต้านทานสาย

อะไรก็ตามที่ลดลงในแรงดันไฟฟ้าที่มีกระแสเพิ่มขึ้นจะมีความต้านทานเป็นลบ

แหล่งพลังงานมีคุณสมบัตินี้ ส่วนประกอบแฝงที่มีค่าความต้านทานติดลบเพิ่มขึ้น ได้แก่ หลอดปล่อยก๊าซหรืออาร์ค, ไดโอดผลถล่ม, ไดโอดอุโมงค์, SCR ในระหว่างเฟสไก

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

แต่สิ่งนี้เป็นไปได้ทางร่างกายอย่างไร

ส่วนประกอบบางอย่างเช่นไดโอด Esaki และหลอดเรืองแสงมีเส้นโค้ง IV ที่อยู่ในจตุภาค I และ III ทั้งหมด แต่มีพื้นที่ลาดเชิงลบในระยะ จำกัด ในภูมิภาคนี้รูปแบบสัญญาณขนาดเล็กของอุปกรณ์จะมีความต้านทานเชิงลบ

( แหล่งรูปภาพ )

ในไดโอด Esaki พฤติกรรมนี้เกิดจากกระแสอุโมงค์ที่เป็นไปได้ที่ค่าไบแอสต่ำ แต่ไม่มีแรงดันไบอัสสูงกว่า

นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างวงจรแอมป์ที่มีความต้านทานเชิงลบในช่วง จำกัด ที่นั่นเส้นโค้ง IV ยังสามารถผ่านจตุภาค II และ IV เนื่องจากพลังงานสามารถจ่ายได้จากขั้วไฟฟ้าของ op-amp

ที่ไหนสักแห่งฉันได้อ่านว่าตัวอย่างขององค์ประกอบที่มีความต้านทานเชิงลบคือแหล่งกำเนิดแรงดัน

เมื่อมองไปที่ด้านอินพุทของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งที่มีการควบคุมซึ่งมีโหลดคงที่มันมักจะปรากฏเป็นความต้านทานเชิงลบ

นี่เป็นเพราะมันเป็นพลังงานไฟฟ้าคงที่ หากแรงดันไฟฟ้าเข้าลดลงวงจรควบคุมจะเพิ่มกระแสดึงเพื่อดำเนินการจ่ายโหลดต่อกับแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ

แม้ว่าความต้านทานเชิงลบจะถูกปกคลุมด้วยความลึกลับ แต่จริงๆแล้วมันเป็นแนวคิดที่ค่อนข้างง่าย มันสามารถอธิบายได้อย่างง่ายดายโดยการวิเคราะห์แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทาน

ตัวต้านทานแบบบวกจะลบแรงดันที่ตกจากแรงดันอินพุทดังนั้นจึงลดกระแสในขณะที่ตัวต้านทานแบบลบ (รูปตัว S) จะเพิ่มแรงดันตกที่แรงดันอินพุตซึ่งจะเป็นการเพิ่มกระแส ดังนั้นความต้านทานเชิงบวกจึงขัดขวางในขณะที่ความต้านทานเชิงลบช่วยให้กระแส

คำถามหลักคือ "ตัวต้านทานเชิงลบเพิ่มแรงดันได้อย่างไร" - มีสองวิธีที่จะทำมันนำไปสู่สองชนิดของความต้านทานเชิงลบค่าและแน่นอน

โดยพื้นฐานแล้วตัวต้านทานเชิงลบคือตัวต้านทานซึ่งเป็นค่าบวกที่ลบแรงดันตก V = IR จากแรงดันอินพุต แต่ตรงกันข้ามกับตัวต้านทานบวกที่มีความต้านทานคงที่มันเป็นตัวต้านทานแบบไดนามิกที่ลดความต้านทานลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เป็นผลให้เพิ่มแรงดันแทน (ผลิตภัณฑ์ของการเพิ่ม I และ R ที่ลดลงอย่างแรง) จะลดลง ... และนี่จะเทียบเท่ากับการเพิ่มแรงดัน นี่คือเคล็ดลับ - การลดการสูญเสียเป็นกำไรจริงๆ

ดูเพิ่มเติม: เข้าใจถึงปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงลบที่แตกต่าง

การต้านทานเชิงลบแบบสัมบูรณ์จะกระทำในลักษณะที่เป็นธรรมชาติมากขึ้นโดยแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก (วงจรอิเล็กทรอนิกส์) มันเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของมันตามสัดส่วนกับกระแส (เช่นตัวต้านทานบวก) แต่เพิ่มเข้าไปในแรงดันอินพุต (แทนการลบ) เพื่อวัตถุประสงค์ในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้านี้มีขั้วตรงข้าม ดังนั้นชื่อของวงจรนี้ -“ ตัวแปลงความต้านทานแรงดันไฟฟ้าเชิงลบผกผัน” (VNIC)

ดูเพิ่มเติม: การตรวจสอบโหมดเชิงเส้นของตัวแปลงความต้านทานเชิงลบที่มีการผกผันของแรงดันไฟฟ้า

ดังนั้น "ความหมายทางกายภาพของความต้านทานเชิงลบ" คือ "ตัวต้านทานแบบไดนามิก" หรือ "แหล่งที่มาแบบไดนามิก" แต่ประเด็นทั้งหมดนี้คืออะไร? ความต้านทานเชิงลบอะไรที่สามารถนำมาใช้เพื่อ?

ต้านทานเชิงลบสามารถชดเชยความต้านทานเชิงบวกเทียบเท่า ตัวอย่างเช่นถ้าเราเชื่อมต่อตัวต้านทานลบรูปตัว S ในอนุกรมกับตัวต้านทานบวกที่มีความต้านทานเท่ากันความต้านทานเท่ากันจะเป็นศูนย์ การพูดเชิงลบความต้านทานเชิงลบได้ "ทำลาย" ความต้านทานเชิงบวกและการรวมกันของตัวต้านทานสองตัวทำหน้าที่เป็นชิ้นส่วนของลวด ในทางคณิตศาสตร์มันเป็นเพียง R - R = 0 … แต่มนุษย์เราต้องการคำอธิบายที่“ มีอยู่จริง” มากกว่านี้และที่นั่นก็คือ:

• ต้านทานเชิงลบที่แตกต่างกัน หากแหล่งอินพุตพยายามเพิ่มกระแสแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานเชิงบวกจะเพิ่มขึ้นและควรส่งผลต่อกระแสไฟฟ้า แต่ตัวต้านทานเชิงลบจะลดแรงต้านลงอย่างมากเพื่อลดแรงดันตกคร่อมด้วยค่าเดียวกัน แรงดันรวมในเครือข่ายทั้งหมดไม่เปลี่ยนแปลง มันทำงานเหมือนไดโอดซีเนอร์ที่มีค่าความต้านทานเป็นศูนย์ ตัวต้านทานเชิงลบดิฟเฟอเรนเชียลจึงชดเชยการเปลี่ยนแปลงของแรงดันตกคร่อมของตัวต้านทานบวก ... ไม่ใช่การลดลงมาก
• ต้านทานเชิงลบแอบโซลูท มันชดเชยแรงดันตกคร่อมทั้งตัวต้านทานบวก (ไม่เพียง แต่การเปลี่ยนแปลง) โดยการใส่แรงดันไฟฟ้าเดียวกัน เพื่อจุดประสงค์นี้จะใช้แหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติมที่มีขั้วตรงข้าม แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดในเครือข่ายทั้งหมดไม่เพียง แต่คงที่ แต่เป็นศูนย์ เครือข่ายทำตัวเป็น "ชิ้นส่วนของเส้นลวด" จริงๆและไม่เป็นอุปสรรคในปัจจุบัน ตัวอย่างที่นิยมใช้ในการจัดเรียงนี้คือแอมพลิฟายเออร์ transimpedance และแอมปลิฟายเออร์ที่เอาต์พุต op-amp ทำหน้าที่เป็น "ตัวต้านทาน" เชิงลบแบบสัมบูรณ์ มันทำลายความต้านทานป้อนกลับโดยชดเชยแรงดันตกคร่อมด้วยแรงดันเท่ากัน

แหล่งจ่ายแรงดันธรรมดาไม่ได้เป็น "ตัวต้านทาน" เชิงลบเนื่องจากแรงดันไม่ได้เปลี่ยนตามกระแส ... ไม่เป็นแบบไดนามิก ... มันคงที่ แต่เราคิดว่ามันเป็น "ซีเนอร์ไดโอด"

มีโอกาสที่การอภิปรายที่เกี่ยวข้องใน ResearchGate จะเป็นที่สนใจของคุณ:

แล้วทำไมถึงมีความต้านทานเชิงลบอีกสองประเภท

ตัวต้านทานเชิงลบที่สมบูรณ์แบบนั้นเป็นไปไม่ได้ แต่อุปกรณ์นั้นสามารถมีคุณสมบัติความต้านทานเชิงลบในช่วง จำกัด

ความต้านทานของอุปกรณ์ที่ไม่ใช่เชิงเส้นแปรผันและที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดความต้านทานเทียบเท่าจะเท่ากับความลาดชันของเส้น หากความชันเป็นลบในช่วงช่วงนั้นจะมีความต้านทานเป็นลบ

เกี่ยวกับประโยค:

ที่ไหนสักแห่งฉันได้อ่านว่าตัวอย่างขององค์ประกอบที่มีความต้านทานเชิงลบคือแหล่งกำเนิดแรงดัน

ฉันเดาว่า "แหล่งกำเนิดแรงดันที่มีความต้านทานเชิงลบ" เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้

ข้อผิดพลาดน่าจะเป็นดังต่อไปนี้:

แหล่งที่มาปกติให้ U = U0 - R I

หาก U0 ตั้งค่าเป็น 0 Volts ดังนั้นนิพจน์จะกลายเป็น U = -R I

สิ่งหนึ่งถูกล่อลวงให้คิดว่าตัวต้านทานเป็นลบ

ในความเป็นจริงเครื่องหมายลบมาจากอนุสัญญาที่ใช้เพื่ออธิบายสัญลักษณ์ของ U และ I อนุสัญญาเหล่านี้แตกต่างกันไปสำหรับแหล่งที่มาและส่วนประกอบแฝง

ส่วนใหญ่และเหนือสิ่งอื่นใดในชีวิตประจำวันการประชุมนี้เป็น "การประชุมการลงนามที่ใช้งานอยู่" สำหรับแหล่งที่มาและ "การประชุมเชิงรับสัญญาณเชิงรับ" สำหรับตัวต้านทาน ( ลิงก์ Wiki )

ผู้คนจำนวนมากไม่ทราบว่าพวกเขาไม่ได้ใช้แบบแผนเดียวกันเมื่อพวกเขาเขียน U = U0 - RI สำหรับแหล่งที่มาและ U = RI สำหรับตัวต้านทาน

อินพุตตัวแปลง DC-DC เป็นตัวอย่างที่ดีของความต้านทานเชิงลบ เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงกระแสจะเพิ่มขึ้นเพื่อให้กำลังเอาต์พุตเหมือนกัน นอกจากนี้ยังสามารถสร้างความต้านทานเชิงลบโดยวงจรแอมป์สหกรณ์

วิธีง่ายๆความต้านทานคืออัตราส่วนระหว่างแรงดันและกระแสถ้าคุณวางแผนแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าในองค์ประกอบบางอย่างความต้านทานจะปรากฏเป็นความชันระหว่างตัวแปรเหล่านี้ ในทางฟิสิกส์ความต้านทานในเชิงบวกหมายความว่าหากแรงดันไฟฟ้าของส่วนประกอบเพิ่มขึ้นกระแสที่ไหลผ่านจะเพิ่มขึ้นด้วยเช่นกันความต้านทานเชิงลบหมายถึงเมื่อแรงดันไฟฟ้าของส่วนประกอบเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าจะลดลง