¿Cuál es el significado físico de la resistencia negativa?

Estoy un poco confundido sobre el significado físico de la resistencia negativa.

Matemáticamente, un componente que tiene resistencia negativa muestra un voltaje decreciente a través de su terminal cuando la corriente en su interior crece, y viceversa. Pero, ¿cómo es esto físicamente posible?

En algún lugar he leído que un ejemplo de componente con resistencia negativa es una fuente de voltaje. Pero no entiendo esta afirmación, ya que una fuente de voltaje es un componente que a lo sumo muestra una resistencia interna (positiva).

Hay una serie de mecanismos que dan como resultado una región donde el voltaje que aumenta localmente produce una disminución local de la corriente. Por ejemplo, un diodo Esaki (túnel) .

Un ejemplo común sería una fuente de alimentación conmutada con una carga constante. Suponiendo que la eficiencia es más o menos constante, aumentar el voltaje de entrada da como resultado una menor corriente de corriente. Sin embargo, siempre está consumiendo energía.

$P = E^2/R$

Si quieres jugar con un efecto de resistencia negativo, una forma (suponiendo que no te importe que un extremo esté conectado a tierra) es usar un convertidor de impedancia negativa :

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El circuito anterior actúa como una resistencia de -10K con un extremo conectado a tierra (dentro de su rango lineal), y funciona a aproximadamente cero voltios. Cualquier potencia que produzca proviene de los suministros del amplificador operacional.

En este contexto, tenemos que discriminar entre (1 ) neg diferencial puro (dinámico). resistencias (como se muestra en los ejemplos de las otras respuestas) y (b) una resistencia negativa estática .

Por un diferencial neg. resistencia (rdiff) los CAMBIOS actuales son negativos, para un neg estático. resistencia la CORRIENTE misma tiene un signo negativo.

Mi siguiente respuesta se refiere solo a la resistencia negativa estática:

Tal elemento no "consume" una corriente, impulsada por una fuente de voltaje, sino que, al revés, impulsa una corriente (prop. Al voltaje) en una dirección opuesta hacia la fuente de voltaje.

Por lo tanto. Es una fuente de corriente controlada por voltaje . Para tales circuitos solo son posibles las realizaciones activas (usando transistores o, en la mayoría de los casos, opamps). El circuito más popular es el NIC (convertidor de impedancia negativa) .

Aquí se muestra un bloque NIC "Typ-A". La resistencia a tierra (impedancia) R3 se convierte en una resistencia negativa (impedancia) con un factor de conversión (-R1 / R2). Este tipo es cortocircuito. Estable. (Un NIC estable de circuito abierto resulta para entradas opamp intercambiadas).

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Comentarios: La NIC mostrada es estable siempre que la resistencia de la fuente de la fuente de voltaje (no mostrada en la figura) sea menor que R1. Estos bloques NIC se utilizan para filtros de amortiguación, osciladores y otros sistemas con resistencias positivas (parásitas) no deseadas. Matemáticamente, pueden tratarse como resistencias "normales" en series y combinaciones paralelas, sin embargo, con un signo negativo, por supuesto.

Una aplicación muy popular es el "integrador NIC" (o "integrador Deboo"), donde un bloque NIC está conectado al nodo común de un simple paso bajo RC. En este caso, la NIC puede compensar la pos. resistencia R, que se asemeja a una fuente de corriente que carga el condensador intercalado.

En algún lugar he leído que un ejemplo de componente con resistencia negativa es una fuente de voltaje. Pero no entiendo esta afirmación, ya que una fuente de voltaje es un componente que a lo sumo muestra una resistencia interna (positiva).

Tal vez se mencione una fuente de voltaje , porque todos sabemos que una fuente de voltaje ideal debe tener resistencia interna cero: una buena tendrá una pequeña resistencia positiva, a lo que se agrega cualquier resistencia del cable que vaya a la carga.

Para un suministro regulado electrónicamente, es posible forzar la resistencia de salida más allá de cero en la región de resistencia negativa. Esto se realiza mediante el enrutamiento de parte de la corriente de carga para que el nodo de voltaje de regulación se ajuste en una dirección tal que el voltaje de salida sea forzado hacia arriba. A continuación se muestra un ejemplo del regulador LM317 común que tiene resistencia de salida negativa: tenga cuidado, algunas cargas producen resultados increíbles:

$R_{load}$

• a 5 ohmios, la caída de voltaje a través de Rload es 4.322V

• a 15 ohmios, la caída de voltaje en Rload es 3.993V

El resultado de esa resistencia de 1 ohm (y la dirección de la corriente de Rload que lo atraviesa) obliga a este suministro de voltaje a tener resistencia negativa: a cargas más pesadas, el voltaje de salida aumenta. Este aumento de voltaje puede compensar la caída de voltaje a través de la resistencia del cable.

Todo lo que cae en voltaje con un aumento en la corriente tiene una resistencia negativa.

Las fuentes de energía tienen esta propiedad. Los componentes pasivos con resistencia negativa incremental incluyen; cualquier bombilla o arco de descarga de gas, diodos de efecto de avalancha, diodos de túnel, SCR durante la fase de activación.

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

Pero, ¿cómo es esto físicamente posible?

Algunos componentes, como los diodos Esaki y los tubos incandescentes, tienen una curva IV que se encuentra completamente en los cuadrantes I y III, pero tiene una región de pendiente negativa en un rango limitado. En esta región, un modelo de pequeña señal del dispositivo tendrá resistencia negativa.

( fuente de imagen )

En el diodo Esaki, este comportamiento es causado por la corriente de túnel que es posible con una polarización baja pero no con una tensión de polarización más alta.

También es posible hacer un circuito de amplificador operacional con resistencia de entrada negativa en un rango limitado. Allí, la curva IV puede incluso pasar a través de los cuadrantes II y IV, ya que se puede suministrar energía desde los terminales de alimentación del amplificador operacional.

En algún lugar he leído que un ejemplo de componente con resistencia negativa es una fuente de voltaje.

Mirando el lado de entrada de un suministro de conmutación regulado con una carga fija, a menudo aparecerá como una resistencia negativa.

Esto se debe a que es una carga de potencia constante. Si el voltaje de entrada cae, el circuito regulador aumentará la corriente consumida para continuar suministrando la carga con el voltaje de salida deseado.

Aunque la resistencia negativa está velada en misterio, de hecho es un concepto bastante simple. Puede explicarse fácilmente analizando las caídas de voltaje en las resistencias.

La resistencia positiva resta su caída de voltaje del voltaje de entrada, lo que disminuye la corriente, mientras que la resistencia negativa (en forma de S) agrega su caída de voltaje al voltaje de entrada, aumentando así la corriente. Entonces la resistencia positiva impide mientras que la resistencia negativa ayuda a la corriente.

La pregunta principal es: "¿Cómo la resistencia negativa agrega su voltaje?" Hay dos técnicas para hacerlo que conducen a los dos tipos de resistencia negativa: diferencial y absoluta .

La resistencia diferencial negativa es, en esencia, una resistencia positiva que resta su caída de voltaje V = IR del voltaje de entrada. Pero en contraste con la resistencia positiva que tiene resistencia constante, es una resistencia dinámica que disminuye significativamente su resistencia cuando la corriente aumenta ligeramente. Como resultado, en lugar de aumentar, la caída de voltaje (el producto del aumento de I y la disminución más vigorosa de R) disminuye ... y esto es equivalente a agregar voltaje. Este es el truco: reducir la pérdida es en realidad una ganancia .

Ver también: Desmitificar el fenómeno de resistencia diferencial negativa

La resistencia negativa absoluta se realiza de una manera más natural: por una fuente de voltaje dinámico (circuito electrónico). Cambia su voltaje proporcionalmente a la corriente (como una resistencia positiva) pero lo agrega al voltaje de entrada (en lugar de restar). Para fines de adición, este voltaje tiene una polaridad opuesta; de ahí el nombre de este circuito: "convertidor de impedancia negativa de inversión de voltaje" (VNIC).

Ver también: Investigación del modo lineal de convertidores de impedancia negativa con inversión de voltaje

Entonces, el "significado físico de resistencia negativa" es "resistencia dinámica" o "fuente dinámica". ¿Pero cuál es el punto de todo esto? ¿Para qué resistencia negativa se puede usar?

La resistencia negativa puede compensar la resistencia positiva equivalente . Por ejemplo, si conectamos una resistencia negativa en forma de S en serie a una resistencia positiva con la misma resistencia, la resistencia equivalente será cero. Hablando en sentido figurado, la resistencia negativa ha "destruido" la resistencia positiva y la combinación de dos resistencias actúa como un trozo de cable. Matemáticamente, es simplemente R - R = 0 ... pero nosotros, los seres humanos, necesitamos una explicación más "física" ... y ahí está:

• Resistencia negativa diferencial . Si la fuente de entrada intenta aumentar la corriente, la caída de voltaje a través de la resistencia positiva aumenta y debería afectar la corriente. Pero la resistencia negativa disminuye vigorosamente su resistencia para reducir la caída de voltaje en sí misma en el mismo valor. El voltaje total en toda la red no cambia; Se comporta como un diodo Zener con resistencia diferencial cero. Entonces, la resistencia negativa diferencial compensa el cambio de la caída de voltaje a través de la resistencia positiva ... no la caída misma.
• Resistencia negativa absoluta . Compensa la caída total de voltaje a través de la resistencia positiva (no solo el cambio) insertando el mismo voltaje. Para este propósito, utiliza una fuente de voltaje adicional con polaridad opuesta. El voltaje total en toda la red no solo es constante sino cero. La red realmente se comporta como un "cable" y no impide la corriente. Ejemplos populares de esta disposición son el amplificador de transimpedancia y el amplificador inversor donde la salida del amplificador operacional actúa como una "resistencia" negativa absoluta. Destruye la resistencia de retroalimentación al compensar la caída de voltaje a través de ella con igual voltaje.

La fuente de voltaje ordinaria no es una "resistencia" negativa ya que su voltaje no cambia proporcionalmente a la corriente ... no es dinámica ... es constante. Más bien podemos considerarlo como una especie de "diodo Zener".

Es probable que la discusión relacionada en ResearchGate sea de su interés:

¿Y por qué hay dos tipos más de resistencia negativa?

Una resistencia negativa perfecta es imposible, pero un dispositivo puede tener características de resistencia negativa en un rango limitado.

La resistencia de un dispositivo no lineal varía y a un voltaje dado la resistencia equivalente es igual a la pendiente de la línea. Si la pendiente es negativa en un rango, ese rango tiene resistencia negativa.

Sobre la oración:

En algún lugar he leído que un ejemplo de componente con resistencia negativa es una fuente de voltaje.

Supongo que la "fuente de voltaje con resistencia negativa" es un malentendido crucial.

El error es probablemente el siguiente:

Una fuente normal entrega U = U0 - R I.

Si U0 se establece en 0 voltios, la expresión se convierte en U = -R I.

Uno está tentado a pensar que la resistencia es negativa.

De hecho, el signo menos proviene de las convenciones utilizadas para describir el signo de la U y la I. Estas convenciones son diferentes para las fuentes y los componentes pasivos.

Principalmente, y sobre todo en la vida cotidiana, esta convención es la "convención de signos activos" para las fuentes y la "convención de signos pasivos" para resistencias ( enlace Wiki )

Muchas personas no son conscientes de que no usan la misma convención cuando escriben U = U0 - RI para una fuente y U = RI para una resistencia

Las entradas de convertidor CC-CC son un buen ejemplo de resistencia negativa. A medida que baja el voltaje, la corriente aumenta para proporcionar la misma potencia de salida. También se puede crear una resistencia negativa por un circuito de amplificador operacional.

De manera simple, la resistencia es la relación entre el voltaje y la corriente, si traza el voltaje versus la corriente presente en un determinado componente, la resistencia aparecerá como la pendiente entre estas variables. De manera física, una resistencia positiva significa que si el voltaje de un componente aumenta, la corriente que fluye también aumenta, de lo contrario, una resistencia negativa significa que cuando el voltaje de un componente aumenta, la corriente disminuye.