¿Cuál es el significado físico de la resistencia negativa?

Question

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 sus terminales cuando la corriente dentro de él aumenta, y viceversa. Pero ¿cómo es esto posible físicamente?

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 como máximo muestra una resistencia interna (positiva).

Answer 1

Existen varios mecanismos que resultan en una región donde un aumento local de voltaje resulta en una disminución local de la corriente. Por ejemplo, un diodo Esaki (de túnel).

Un ejemplo común sería una fuente de alimentación conmutada con una carga constante. Asumiendo que la eficiencia es más o menos constante, aumentar el voltaje de entrada resulta en que se extraiga menos corriente. Sin embargo, siempre está consumiendo energía.

No es posible que un componente independiente presente una resistencia negativa (en lugar de una resistencia diferencial negativa) sin alguna fuente de energía dentro del componente, de lo contrario violaría la conservación de la energía ($P = E^2/R$) y un P negativo indicaría que está actuando como una fuente de energía.

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Si deseas experimentar con un efecto de resistencia negativa, una forma (asumiendo que no te importa que un extremo esté conectado a tierra) es utilizar un convertidor de impedancia negativa:

simula este circuito – Esquemático creado utilizando CircuitLab

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

Answer 2

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

Para una resistencia negativa diferencial (rdiff) los CAMBIOS de corriente son negativos, para una resistencia negativa estática la CORRIENTE en sí misma tiene un signo negativo.

Mi siguiente respuesta se refiere únicamente al resistor negativo estático:

Un elemento así no "consume" una corriente - impulsada por una fuente de voltaje, pero - en sentido contrario - impulsa una corriente (proporcional al voltaje) en dirección opuesta hacia la fuente de voltaje.

Por lo tanto, es una fuente de corriente controlada por voltaje. Para estos circuitos solo son posibles implementaciones activas (usando transistores o - en la mayoría de los casos - opamps). El circuito más popular es el CNI (Convertidor de Impedancia Negativa).

Answer 3

¿Pero cómo es esto físicamente posible?

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

(fuente de la imagen)

En el diodo Esaki, este comportamiento es causado por la corriente de túnel que es posible a baja polarización pero no a mayor voltaje de polarización.

También es posible hacer un circuito de amplificador operacional con resistencia de entrada negativa en un rango limitado. Allí la curva I-V puede incluso pasar por los cuadrantes II y IV ya que la energía puede ser suministrada 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.

Al observar el lado de entrada de una fuente de conmutación regulada 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 disminuye, el circuito regulador aumentará la corriente consumida para seguir suministrando la carga con el voltaje de salida deseado.

Answer 4

Cualquier cosa que disminuya el 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 de descarga de gas o arco, diodos de efecto avalancha, diodos túnel, SCR durante la fase de disparo.

https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_negativa

Answer 5

Aquí se muestra un bloque NIC "Tipo-A". El resistor conectado a tierra (impedancia) R3 se convierte en un resistor negativo (impedancia) con un factor de conversión (-R1/R2). Este tipo es estable en cortocircuito. (Un NIC estable en circuito abierto resulta de intercambiar las entradas del amplificador operacional).

simular este circuito – Esquema creado usando CircuitLab

Comentarios: El NIC mostrado es estable siempre que la resistencia de fuente de la fuente de voltaje (no mostrada en la figura) sea más pequeña que R1. Estos bloques NIC se utilizan para filtros sin amortiguamiento, osciladores y otros sistemas con resistencias positivas (parásitas) no deseadas. Matemáticamente, pueden tratarse como resistores "normales" en combinaciones en serie y paralelo, pero 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 pasa bajos RC. En este caso, el NIC puede compensar la resistencia positiva R, asemejándose a una fuente de corriente que carga el capacitor integrador.