Quelle est la signification physique de la résistance négative?

Je suis un peu confus quant à la signification physique de la résistance négative.

Mathématiquement, un composant qui a une résistance négative montre une tension décroissante aux bornes de sa borne lorsque le courant à l'intérieur croît, et vice versa. Mais comment est-ce physiquement possible?

Quelque part, j'ai lu qu'un exemple de composant à résistance négative est une source de tension. Mais je ne comprends pas cette affirmation, car une source de tension est un composant qui montre tout au plus une résistance interne (positive).

Il existe un certain nombre de mécanismes qui aboutissent à une région où une tension localement croissante entraîne une diminution locale du courant. Par exemple, une diode Esaki (tunnel) .

Un exemple courant serait une alimentation à découpage avec une charge stable. En supposant que l'efficacité est plus ou moins constante, l'augmentation de la tension d'entrée entraîne une diminution de la consommation de courant. Mais cela consomme toujours de l'énergie.

Un composant autonome qui présente une résistance négative (plutôt qu'une résistance différentielle négative) n'est pas possible sans une sorte de source d'énergie à l'intérieur du composant, sinon il violerait la conservation de l'énergie ( ) et un P négatif indiquerait il agit comme une source d'énergie.$P = E^2/R$

Si vous voulez jouer avec un effet de résistance négatif, une façon (en supposant que cela ne vous dérange pas qu'une extrémité soit mise à la terre) consiste à utiliser un convertisseur d'impédance négative :

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Le circuit ci-dessus agit comme une résistance de -10K avec une extrémité mise à la terre (dans sa plage linéaire) et fonctionne jusqu'à environ zéro volt. Toute puissance qu'il produit provient des alimentations de l'ampli op.

Dans ce contexte, nous devons faire la distinction entre (1) négatif différentiel pur (dynamique). résistances (comme indiqué dans les exemples des autres réponses) et (b) une résistance statique négative.

Pour un négatif différentiel. résistance (rdiff) les CHANGEMENTS actuels sont négatifs, pour un négatif statique. résistance le COURANT lui-même a un signe négatif.

Ma réponse suivante concerne uniquement la résistance négative statique:

Un tel élément ne "consomme" pas un courant - entraîné par une source de tension, mais - dans l'autre sens - il entraîne un courant (proportionnel à la tension) dans une direction opposée dans la source de tension.

Par conséquent. c'est une source de courant commandée en tension . Pour de tels circuits, seules des réalisations actives sont possibles (en utilisant des transistors ou - dans la plupart des cas - des amplificateurs opérationnels). Le circuit le plus populaire est le NIC (Negative-Impedance Converter) .

Voici un bloc NIC "Typ-A". La résistance de terre (impédance) R3 est convertie en une résistance négative (impédance) avec un facteur de conversion (-R1 / R2). Ce type est short-circuit.stable. (Un NIC stable en circuit ouvert résulte pour les entrées opamp échangées).

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Commentaires: La carte réseau illustrée est stable tant que la résistance de la source de tension (non représentée sur la figure) est inférieure à R1. Ces blocs NIC sont utilisés pour désamortir les filtres, oscillateurs et autres systèmes avec des résistances positives (parasites) indésirables. Mathématiquement, ils peuvent être traités comme des résistances "normales" en combinaisons série et parallèle - mais avec un signe négatif, bien sûr.

Une application très populaire est "l'intégrateur NIC" (ou "intégrateur Deboo"), où un bloc NIC est connecté au nœud commun d'un simple passe-bas RC. Dans ce cas, la carte réseau peut compenser la pos. résistance R - ressemblant ainsi à une source de courant qui charge le condensateur d'interconnexion.

Quelque part, j'ai lu qu'un exemple de composant à résistance négative est une source de tension. Mais je ne comprends pas cette affirmation, car une source de tension est un composant qui montre tout au plus une résistance interne (positive).

Peut-être qu'une source de tension est mentionnée, car nous savons tous qu'une source de tension idéale devrait avoir une résistance interne nulle: une bonne aura une petite résistance positive, à laquelle s'ajoute toute résistance de fil allant à la charge.

Pour une alimentation régulée électroniquement, il est possible de forcer la résistance de sortie au-delà de zéro dans la région de résistance négative. Cela se fait en acheminant une partie du courant de charge de sorte que le nœud de tension de régulation soit ajusté dans une direction telle que la tension de sortie est forcée. Un exemple de régulateur LM317 commun ayant une résistance de sortie négative est illustré ci-dessous - attention, certaines charges produisent des résultats extravagants:

$R_{load}$

• à 5 ohms, la chute de tension aux bornes de Rload est de 4,322 V

• à 15 ohms, la chute de tension aux bornes de Rload est de 3,993 V

Le résultat de cette résistance de 1 ohm (et la direction du courant de Rload qui la traverse) force cette alimentation à avoir une résistance négative: à des charges plus lourdes, la tension de sortie augmente. Cette augmentation de tension peut compenser la chute de tension aux bornes de la résistance du fil.

Tout ce qui chute en tension avec une augmentation de courant a une résistance négative.

Les sources d'alimentation ont cette propriété. Les composants passifs avec une résistance négative incrémentielle comprennent; toute ampoule ou arc à décharge de gaz, diodes à effet d'avalanche, diodes tunnel, SCR pendant la phase de déclenchement.

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

Mais comment est-ce physiquement possible?

Certains composants, comme les diodes Esaki et les tubes à incandescence, ont une courbe IV qui est entièrement dans les quadrants I et III, mais a une région de pente négative sur une plage limitée. Dans cette région, un modèle à petit signal de l'appareil aura une résistance négative.

( source d'image )

Dans la diode Esaki, ce comportement est causé par un courant tunnel qui est possible à faible polarisation mais pas à une tension de polarisation plus élevée.

Il est également possible de créer un circuit d'ampli op avec une résistance d'entrée négative sur une plage limitée. Là, la courbe IV peut même traverser les quadrants II et IV, car l'alimentation peut être fournie par les bornes d'alimentation de l'ampli-op.

Quelque part, j'ai lu qu'un exemple de composant à résistance négative est une source de tension.

En regardant le côté entrée d'une alimentation à découpage régulée avec une charge fixe, elle apparaîtra souvent comme une résistance négative.

En effet, il s'agit d'une charge de puissance constante. Si la tension d'entrée baisse, le circuit régulateur augmentera le courant consommé afin de continuer à alimenter la charge avec la tension de sortie souhaitée.

Bien que la résistance négative soit voilée de mystère, il s'agit en fait d'un concept assez simple. Cela peut être facilement expliqué en analysant les chutes de tension aux résistances.

La résistance positive soustrait sa chute de tension de la tension d'entrée, diminuant ainsi le courant tandis que la résistance négative (en forme de S) ajoute sa chute de tension à la tension d'entrée, augmentant ainsi le courant. Ainsi, la résistance positive gêne tandis que la résistance négative aide le courant.

La question principale est: "Comment la résistance négative ajoute-t-elle sa tension?" Il existe deux techniques pour le faire conduisant aux deux types de résistance négative - différentielle et absolue .

La résistance différentielle négative est, par essence, une résistance positive qui soustrait sa chute de tension V = IR de la tension d'entrée. Mais contrairement à la résistance positive qui a une résistance constante, c'est une résistance dynamique qui diminue considérablement sa résistance lorsque le courant augmente légèrement. Par conséquent, au lieu d'augmenter, la chute de tension (le produit du I croissant et du R plus vigoureusement décroissant) diminue ... et cela équivaut à ajouter de la tension. C'est l'astuce - réduire les pertes est en fait un profit .

Voir aussi: Démystifier le phénomène de résistance différentielle négative

La résistance négative absolue se fait de manière plus naturelle - par une source de tension dynamique (circuit électronique). Il modifie sa tension proportionnellement au courant (comme une résistance positive) mais l'ajoute à la tension d'entrée (au lieu de la soustraire). Aux fins de l'addition, cette tension a une polarité opposée; d'où le nom de ce circuit - «convertisseur à impédance négative à inversion de tension» (VNIC).

Voir aussi: Étude du mode linéaire des convertisseurs d'impédance négative avec inversion de tension

Ainsi, la «signification physique d'une résistance négative» est «résistance dynamique» ou «source dynamique». Mais quel est l'intérêt de tout cela? Quelle résistance négative peut être utilisée?

Une résistance négative peut compenser une résistance positive équivalente . Par exemple, si nous connectons une résistance négative en forme de S en série à une résistance positive avec la même résistance, la résistance équivalente sera nulle. Au sens figuré, la résistance négative a "détruit" la résistance positive et la combinaison de deux résistances agit comme un morceau de fil. Mathématiquement, c'est simplement R - R = 0… mais nous, êtres humains, avons besoin d'une explication plus "physique" ... et le voici:

• Résistance négative différentielle . Si la source d'entrée essaie d'augmenter le courant, la chute de tension aux bornes de la résistance positive augmente et devrait affecter le courant. Mais la résistance négative diminue vigoureusement sa résistance pour réduire la chute de tension à travers elle-même de la même valeur. La tension totale sur l'ensemble du réseau ne change pas; il se comporte comme une diode Zener avec une résistance différentielle nulle. Ainsi, la résistance différentielle négative compense le changement de la chute de tension à travers la résistance positive ... pas la chute même.
• Résistance négative absolue . Il compense toute la chute de tension à travers la résistance positive (pas seulement le changement) en insérant la même tension. Pour cela, il utilise une source de tension supplémentaire de polarité opposée. La tension totale sur l'ensemble du réseau est non seulement constante mais nulle. Le réseau se comporte vraiment comme un "morceau de fil" et n'entrave pas le courant. Des exemples populaires de cet arrangement sont l'amplificateur de transimpédance et l'amplificateur inverseur où la sortie de l'ampli op agit comme une "résistance" négative absolue. Il détruit la résistance de rétroaction en compensant la chute de tension à travers elle avec une tension égale.

La source de tension ordinaire n'est pas une "résistance" négative car sa tension ne change pas proportionnellement au courant ... elle n'est pas dynamique ... elle est constante. Nous pouvons plutôt la considérer comme une sorte de "diode Zener".

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Et pourquoi existe-t-il deux autres types de résistance négative?

Une résistance négative parfaite est impossible, mais un appareil peut avoir des caractéristiques de résistance négatives sur une plage limitée.

La résistance d'un appareil non linéaire varie et à une tension donnée la résistance équivalente est égale à la pente de la ligne. Si la pente est négative dans une plage, cette plage a une résistance négative.

Concernant la peine:

Quelque part, j'ai lu qu'un exemple de composant à résistance négative est une source de tension.

Je suppose que la "source de tension avec une résistance négative" est un malentendu crucial.

L'erreur est probablement la suivante:

Une source normale fournit U = U0 - R I.

Si U0 est réglé sur 0 Volt, alors l'expression devient U = -R I.

On est tenté de penser que la résistance est négative.

En fait, le signe moins provient des conventions utilisées pour décrire le signe du U et du I. Ces conventions sont différentes pour les sources et les composants passifs

Surtout et surtout dans la vie de tous les jours, cette convention est la «convention de signe actif» pour les sources et la «convention de signe passif» pour les résistances ( lien Wiki )

Beaucoup de gens ne savent pas qu'ils n'utilisent pas la même convention lorsqu'ils écrivent U = U0 - RI pour une source et U = RI pour une résistance

Les entrées du convertisseur DC-DC sont un bon exemple de résistance négative. Lorsque la tension diminue, le courant augmente pour fournir la même puissance de sortie. Une résistance négative peut également être créée par un circuit d'ampli op.

D'une manière simple, la résistance est le rapport entre la tension et le courant, si vous tracez la tension en fonction du courant présent dans un certain composant, la résistance apparaîtra comme la pente entre ces variables. De manière physique, une résistance positive signifie que si la tension d'un composant augmente, le courant qui passe augmente également, sinon, une résistance négative signifie que lorsque la tension d'un composant augmente, le courant diminue.