¿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 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 como máximo muestra una resistencia interna (positiva).

Answer 1

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

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

Un componente independiente que exhiba resistencia negativa (en lugar de resistencia negativa diferencial) no es posible sin algún tipo de fuente de energía dentro del componente, de lo contrario violaría la conservación de 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:

simular este circuito – Esquema 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 energía que produzca proviene de las fuentes de alimentación 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 PROPIA corriente tiene un signo negativo.

Mi respuesta siguiente se refiere solo al resistor negativo estático:

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

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

Answer 3

¿Pero cómo es esto posible físicamente?

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 pequeña señal 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 bajo sesgo pero no a un voltaje de polarización más alto.

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 las terminales de potencia del amplificador operacional.

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

Al observar el lado de entrada de una fuente de alimentación conmutada regulada con una carga fija, a menudo parecerá 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 a la carga el voltaje de salida deseado.

Answer 4

Cualquier cosa que caiga en voltaje con un aumento en la corriente tiene una resistencia negativa.

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

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

Answer 5

Aquí se muestra un bloque NIC de tipo "A". La resistencia a tierra (impedancia) R3 se convierte en una resistencia negativa (impedancia) con un factor de conversión (-R1/R2). Este tipo es estable a corto circuito. (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 y cuando la resistencia de la fuente de voltaje (no mostrada en la figura) sea menor que R1. Estos bloques de NIC se utilizan para filtros de amortiguación, osciladores y otros sistemas con resistencias positivas no deseadas (parasíticas). Matemáticamente, pueden tratarse como resistencias "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 se conecta al nodo común de un simple filtro pasa bajo R-C. En este caso, el NIC puede compensar la resistencia positiva R, asemejándose a una fuente de corriente que carga el capacitor de integración.