Qual é o significado físico da resistência negativa?


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Estou um pouco confuso sobre o significado físico da resistência negativa.

Matematicamente, um componente com resistência negativa mostra uma tensão decrescente em seu terminal quando a corrente dentro dele cresce e vice-versa. Mas como isso é fisicamente possível?

Em algum lugar, li que um exemplo de componente com resistência negativa é uma fonte de tensão. Mas não entendo essa afirmação, pois uma fonte de tensão é um componente que mostra no máximo uma resistência interna (positiva).


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Talvez se você ver um circuito com dois resistores em série (divisor de tensão), tendo no meio 2,5V, pode-se dizer que um componente com resistência negativa adiciona tensão em vez de remover a tensão ... mas deixo uma resposta real para os peritos aqui ;-)
Michel Keijzers

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Menos R fornecerá energia, não dissipará energia.
Analogsystemsrf


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Uma fonte de tensão não possui resistência negativa, possui resistência ZERO. Se você possui um dispositivo assim, tome cuidado para não curto-lo com um resistor de zero ohm. Não consigo calcular a potência dissipada em um circuito assim.
Richard1941

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A descarga do arco é modelada como uma resistência negativa.
KalleMP

Respostas:


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Existem vários mecanismos que resultam em uma região em que o aumento local da tensão resulta em corrente local decrescente. Por exemplo, um diodo Esaki (túnel) .

insira a descrição da imagem aqui

Um exemplo comum seria uma fonte de alimentação comutada com uma carga constante. Supondo que a eficiência seja mais ou menos constante, o aumento da tensão de entrada resulta em menor consumo de corrente. Sempre está consumindo energia.

Um componente independente que exibe resistência negativa (em vez de resistência diferencial negativa) não é possível sem algum tipo de fonte de energia dentro do componente; caso contrário, violaria a conservação de energia ( P=E2/R ) e P negativo indicaria isso. está agindo como uma fonte de energia.


Se você deseja jogar com um efeito de resistência negativo, uma maneira (supondo que você não se importe com o fim de aterrar) é usar um conversor de impedância negativa :

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

O circuito acima atua como um resistor de -10K com uma extremidade aterrada (dentro de sua faixa linear) e funciona até cerca de zero volts. Qualquer energia que produz provém dos suprimentos do amplificador operacional.


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Essa é realmente uma boa escolha de um exemplo de dispositivo que você escolheu.
O fóton

@ThePhoton LOL, grandes mentes e tudo isso.
Spehro Pefhany

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@J ... Não, é realmente uma resistência diferencial negativa. Você coloca uma tensão rígida sobre ela e evita que ela oscile; a corrente seguirá essa curva. Ver, por exemplo, Caracterização CC de diodos de túnel sob condições estáveis ​​de circuito não oscilatório por Wang et al.
Spehro Pefhany

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Este é um exemplo de um dispositivo "tipo N". Existem também dispositivos "tipo S".
Richard1941

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Nesse contexto, temos que discriminar entre (1) puro diferencial (dinâmico) neg. resistências (como mostrado nos exemplos das outras respostas) e (b) uma resistência estática negativa.

Para um diferencial negativo. resistência (rdiff) as MUDANÇAS atuais são negativas, para uma negativa estática. resistência, a CORRENTE em si tem um sinal negativo.

Minha resposta a seguir refere-se apenas ao resistor estático negativo:

Esse elemento não "consome" uma corrente - acionada por uma fonte de tensão, mas - ao contrário - ele aciona uma corrente (prop. À tensão) em uma direção oposta na fonte de tensão.

Conseqüentemente. é uma fonte de corrente controlada por tensão . Para tais circuitos, apenas realizações ativas são possíveis (usando transistores ou - na maioria dos casos - opamps). O circuito mais popular é o NIC (conversor de impedância negativa) .


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É mostrado aqui um bloco de placa de rede "Typ-A". O resistor aterrado (impedância) R3 é convertido em um resistor negativo (impedância) com um fator de conversão (-R1 / R2). Esse tipo é de curto-circuito.estável. (Uma NIC estável em circuito aberto resulta para entradas de opamp trocadas).

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usandoCircuitLab

Comentários: A NIC mostrada é estável desde que a resistência da fonte de tensão (não mostrada na figura) seja menor que R1. Esses blocos de placa de rede são usados ​​para desmembrar filtros, osciladores e outros sistemas com resistências positivas (parasitárias) indesejadas. Matematicamente, eles podem ser tratados como resistores "normais" em combinações em série e paralelas - no entanto, com um sinal negativo, é claro.

Um aplicativo muito popular é o "integrador de NIC" (ou "Deboo integrator"), onde um bloco de NIC é conectado ao nó comum de um lowpass RC simples. Nesse caso, a NIC pode compensar a pos. resistor R - assim se assemelha a uma fonte de corrente que carrega o capacitor intergating.


Por que você respondeu duas vezes?
pipe

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Foi por acidente ..... eu tentei incluir a figura (mais tarde) - e de repente havia duas respostas ...
LVW

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Em algum lugar, li que um exemplo de componente com resistência negativa é uma fonte de tensão. Mas não entendo essa afirmação, pois uma fonte de tensão é um componente que mostra no máximo uma resistência interna (positiva).

Talvez uma fonte de tensão seja mencionada, porque todos sabemos que uma fonte de tensão ideal deve ter zero resistência interna: uma boa terá uma pequena resistência positiva, à qual é adicionada qualquer resistência do fio à carga.

Para um suprimento regulado eletronicamente, é possível forçar a resistência de saída além de zero para a região de resistência negativa. Isso é feito roteando parte da corrente de carga para que o nó de tensão de regulação seja ajustado de maneira que a tensão de saída seja forçada. Um exemplo do regulador LM317 comum com resistência de saída negativa é mostrado abaixo - cuidado, algumas cargas produzem resultados loucos:

esquemático


Reuoumad

  • a 5 ohms, a queda de tensão em Rload é 4,32V

  • a 15 ohms, a queda de tensão no Rload é de 3,993V

O resultado desse resistor de 1 ohm (e a direção da corrente de Rload passando por ele) força essa fonte de tensão a ter resistência negativa: em cargas mais pesadas, a tensão de saída aumenta. Esse aumento de tensão pode compensar a queda de tensão na resistência do fio.


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Qualquer coisa que caia de tensão com um aumento de corrente tem uma resistência negativa.

As fontes de energia possuem essa propriedade. Os componentes passivos com resistência negativa incremental incluem; qualquer lâmpada ou arco de descarga de gás, diodos de efeito Avalanche, diodos de túnel, SCRs durante a fase de disparo.

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


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Mas como isso é fisicamente possível?

Alguns componentes, como diodos de Esaki e tubos de incandescência, têm uma curva IV inteiramente nos quadrantes I e III, mas com uma região de inclinação negativa em um intervalo limitado. Nesta região, um modelo de sinal pequeno do dispositivo terá resistência negativa.

insira a descrição da imagem aqui

( fonte da imagem )

No diodo Esaki, esse comportamento é causado pela corrente de encapsulamento possível com viés baixo, mas não com voltagem mais alta.

Também é possível fazer um circuito op-amp com resistência de entrada negativa em um intervalo limitado. Lá, a curva IV pode até passar pelos quadrantes II e IV, pois a energia pode ser fornecida pelos terminais de energia do amplificador operacional.

Em algum lugar, li que um exemplo de componente com resistência negativa é uma fonte de tensão.

Observando o lado de entrada de uma fonte de comutação regulada com uma carga fixa, ela geralmente aparece como uma resistência negativa.

Isso ocorre porque é uma carga de energia constante. Se a tensão de entrada cair, o circuito do regulador aumentará a corrente consumida para continuar fornecendo a carga com a tensão de saída desejada.


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Embora a resistência negativa esteja oculta no mistério, na verdade é um conceito bastante simples. Isso pode ser facilmente explicado através da análise das quedas de tensão nas resistências.

O resistor positivo subtrai sua queda de tensão da tensão de entrada, diminuindo a corrente, enquanto o resistor negativo (em forma de S) adiciona sua queda de tensão à tensão de entrada, aumentando a corrente. Portanto, a resistência positiva impede enquanto a resistência negativa ajuda a corrente.

A questão principal é: "Como o resistor negativo adiciona sua tensão?" Existem duas técnicas para fazer isso, levando a dois tipos de resistência negativa - diferencial e absoluta .

NDR em forma de S - operação

Resistor diferencial negativo é, em essência, um resistor positivo que subtrai sua queda de tensão V = IR da tensão de entrada. Mas, ao contrário do resistor positivo que possui resistência constante, é um resistor dinâmico que diminui significativamente sua resistência quando a corrente aumenta levemente. Como resultado, em vez de aumentar, a queda de tensão (o produto do aumento de I e da diminuição mais vigorosa de R) diminui ... e isso é equivalente à adição de tensão. Esse é o truque - reduzir a perda é realmente um lucro .

Veja também: Desmistificando o fenômeno de resistência diferencial negativa

insira a descrição da imagem aqui

Resistência negativa absoluta é feita de maneira mais natural - por uma fonte de tensão dinâmica (circuito eletrônico). Ele altera sua tensão proporcionalmente à corrente (como um resistor positivo), mas a adiciona à tensão de entrada (em vez de subtrair). Para fins de adição, essa tensão possui uma polaridade oposta; daí o nome desse circuito - “conversor de impedância negativa por inversão de tensão” (VNIC).

Consulte também: Investigação do modo linear de conversores de impedância negativa com inversão de tensão

Portanto, o "significado físico da resistência negativa" é "resistor dinâmico" ou "fonte dinâmica". Mas qual é o sentido de tudo isso? Para que resistência negativa pode ser usada?

A resistência negativa pode compensar a resistência positiva equivalente . Por exemplo, se conectarmos um resistor negativo em forma de S em série a um resistor positivo com a mesma resistência, a resistência equivalente será zero. Figurativamente falando, a resistência negativa "destruiu" a resistência positiva e a combinação de dois resistores atua como um pedaço de arame. Matematicamente, é simplesmente R - R = 0 ... mas nós, seres humanos, precisamos de uma explicação mais "física" ... e aqui está:

  • Resistência negativa diferencial . Se a fonte de entrada tentar aumentar a corrente, a queda de tensão no resistor positivo aumenta e deve afetar a corrente. Mas o resistor negativo diminui vigorosamente sua resistência para reduzir a queda de tensão em si mesma pelo mesmo valor. A tensão total em toda a rede não muda; ele se comporta como um diodo Zener com zero resistência diferencial. Portanto, o resistor diferencial negativo compensa a mudança da queda de tensão no resistor positivo ... e não a própria queda.
  • Resistência negativa absoluta . Compensa toda a queda de tensão no resistor positivo (não apenas a alteração) inserindo a mesma tensão. Para esse fim, ele usa uma fonte de tensão adicional com polaridade oposta. A tensão total em toda a rede não é apenas constante, mas também zero. A rede realmente se comporta como um "pedaço de fio" e não impede a corrente. Exemplos populares desse arranjo são o amplificador de transimpedância e o inversor, onde a saída do op-amp atua como um "resistor" negativo absoluto. Destrói a resistência de realimentação, compensando a queda de tensão através dele com a mesma tensão.

A fonte de tensão comum não é um "resistor" negativo, pois sua tensão não muda proporcionalmente à corrente ... não é dinâmica ... é constante. Em vez disso, podemos pensar nisso como uma espécie de "diodo Zener".

É provável que a discussão relacionada no ResearchGate seja do seu interesse:

E por que existem mais dois tipos de resistência negativa?


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Um resistor negativo perfeito é impossível, mas um dispositivo pode ter características de resistência negativa em um intervalo limitado.

A resistência de um dispositivo não linear varia e a uma dada voltagem a resistência equivalente é igual à inclinação da linha. Se a inclinação for negativa em um intervalo, esse intervalo terá resistência negativa.

insira a descrição da imagem aqui


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Mattmann944 ... Penso que é importante acrescentar que o seu exemplo diz respeito apenas a uma resistência negativa DIFERENCIAL (dinâmica) !! Cada ponto de trabalho na sua curva de "resistência negativa" se assemelha a uma resistência estática POSITIVA. Mais do que isso, é realmente possível um resistor negativo "perfeito" (no entanto, tão perfeito quanto cada parte eletrônica pode ser ...). Nenhum resistor ôhmico é "perfeito".
LvW 25/04

Sim, sua resposta é tecnicamente mais correta que a minha. O OP não parece ser um estudante universitário, então tentei simplificar. Eu só vi resistência negativa usada no sentido diferencial. A maior parte do artigo da Wikipedia é dedicada ao diferencial. Eu disse declive, o que implica diferencial.
precisa saber é o seguinte

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Em relação à sentença:

Em algum lugar, li que um exemplo de componente com resistência negativa é uma fonte de tensão.

Eu acho que a "fonte de tensão com resistência negativa" é uma falta de entendimento crucial.

O erro é provavelmente o seguinte:

Uma fonte normal fornece U = U0 - R I.

Se U0 estiver definido como 0 Volts, a expressão se tornará U = -R I.

É tentado pensar que o resistor é negativo.

De fato, o sinal de menos vem das convenções usadas para descrever o sinal dos U e I. Essas convenções são diferentes para fontes e componentes passivos

Principalmente, e acima de tudo na vida cotidiana, esta convenção é a "convenção de sinais ativos" para fontes e a "convenção de sinais passivos" para resistores ( link do Wiki )

Muitas pessoas não sabem que não usam a mesma convenção quando escrevem U = U0 - RI para uma fonte e U = RI para um resistor


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As entradas do conversor DC-DC são um bom exemplo de resistência negativa. À medida que a tensão diminui, a corrente aumenta para fornecer a mesma saída de energia. Também uma resistência negativa pode ser criada por um circuito de amplificador operacional.


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De maneira simples, resistência é a razão entre tensão e corrente; se você plotar a tensão versus a corrente presente em um determinado componente, a resistência aparecerá como a inclinação entre essas variáveis. Do ponto de vista físico, uma resistência positiva significa que, se a tensão de um componente aumenta, a corrente que flui aumenta também; caso contrário, uma resistência negativa significa que, quando a tensão de um componente aumenta, a corrente diminui.

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