Qual é o significado físico da resistência negativa?

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).

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) .

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 ( $P = E^2/R$ ) 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 :

^{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.

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) .

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).

^{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.

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:

$R_{load}$

• 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.

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

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.

( 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.

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 .

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

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?

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.

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

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.

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.