Отрицательное сопротивление - это свойство некоторых элементов электрических цепей, при котором падение напряжения на них уменьшается при увеличении протекающего тока. Отрицательное сопротивление также называется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свойство проявляется на вольтамперной характеристике участка, где напряжение уменьшается при увеличении протекающего тока.
Отрицательное сопротивление может быть реализовано с помощью различных физических эффектов, таких как туннельный эффект, эффект Ганна, нелинейность полупроводниковых приборов и других. Отрицательное сопротивление может использоваться для создания генераторов, усилителей, переключателей, осцилляторов и других устройств.
Впервые услышав словосочетание «отрицательное сопротивление», можно пофантазировать и вообразить себе некий фантастический элемент электрической цепи, вроде проволочного резистора, который не препятствует прохождению тока, а наоборот - помогает ему течь. Однако такое понимание термина является превратным и весьма далеко от реальности.
На самом деле, когда речь заходит об отрицательном сопротивлении, имеется ввиду отрицательное дифференциальное сопротивление, то бишь динамическое, а вовсе не мифический постоянный резистор, волшебным образом усиливающий ток.
Если бы такое необычное явление и имело место быть, то это бы означало, что в цепь включен некий источник энергии, который уже точно не являлся бы резистором в каноническом понимании слова.
Мы же говорим именно об отрицательном дифференциальном сопротивлении — явлении вполне реальном. Таким образом, отрицательное сопротивление всего лишь указывает на наличие падающего участка на вольт-амперной характеристике элемента электрической цепи.
Давайте же рассмотрим примеры подобных, вполне реальных, нелинейных элементов.
Газоразрядная лампа в момент пуска
В процессе включения газоразрядной лампы через балласт, отчетливо проявляется ее особая нелинейная вольт-амперная характеристика.
В начале формирования тихого разряда (1) ток плавно, практически линейно увеличивается вместе с ростом напряжения от нуля до Uа.
Далее ток возрастает, но падение напряжения на самой лампе снижается — это первый участок, на котором проявляется отрицательное дифференциальное сопротивление (участок 2-3), здесь лампа находится в состоянии нормального тлеющего разряда.
(4) - в лампе происходит лавинообразная ионизация и можно наблюдать аномальный тлеющий разряд, когда напряжение на лампе возрастает до Uв, одновременно возрастает и ток.
(5) - напряжение на лампе снижается до номинальной величины Uл, лампа переходит в стабильное состояние дугового разряда, при этом ток увеличивается до номинального значения Iл - снова мы наблюдаем на ВАХ участок отрицательного дифференциального (динамического) сопротивления, когда напряжение между выводами падало, а ток при этом рос.
Туннельный диод
Тогда как в обычных диодах с ростом приложенного в прямом направлении напряжения, увеличивается и проходящий через диод ток, в туннельном диоде квантовомеханическое явление туннелирования электронов создает на его вольт-амперной характеристике область отрицательного дифференциального сопротивления, то есть такую область, на которой во время увеличения прямого напряжения на диоде, ток через него спадает.
Данная особенность обусловлена тем, что для определенного диапазона прикладываемых к диоду напряжений, электроны в одном из его регионов активно туннелируют, внося вклад в общий ток диода, а за пределами этого диапазона напряжений туннелирования уже не происходит.
Данная особенность туннельного диода используется в технике для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.
Диод Ганна
Диод Ганна представляет собой полупроводниковый прибор из арсенида галлия, в активную часть которого внедрен высокоомный слой с пониженной концентраций легирующих донорных примесей.
Суть образования зоны отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ диода Ганна заключается в следующем.
Рассмотрим образец полупроводника, к выводам которого приложено некоторое напряжение. В однородном полупроводнике электрическое поле имеет одинаковую напряженность по всему образцу.
Но если в образце имеется локальная неоднородность с пониженной проводимостью, то напряженность поля в этом месте будет выше, а значит при увеличении напряженности внешнего поля критическое значение напряженности будет достигнуто прежде всего в этом сечении.
Произойдет накопление в этой области образца тяжелых электронов и снижение их подвижности, а значит - повышение сопротивления в данной области. Как результат, с ростом напряжения будет снижаться ток диода.
Тетрод в режиме динатронного эффекта
Четырехэлектродная радиолампа имеет следующую особенность. Когда напряжение на аноде (положительном электроде лампы) приближено к напряжению на ее экранирующей сетке, (электроду, расположенному перед анодом) может случиться необычное явление.
При определенном напряжении на аноде, электроны, летящие к нему от катода, ударяются об анод с такой силой, что выбивают из него электроны, (вторичная электронная эмиссия) скоростей которых достаточно чтобы долететь в обратном направлении до экранирующей сетки и быть притянутыми к ней. Ток экранирующей сетки, благодаря вкладу, вносимому этими вторичными электронами, в итоге возрастает.
В результате, из-за данного эффекта ток анода уменьшается. На определенном участке ВАХ это выглядит так, что с увеличением анодного напряжения уменьшается анодный ток. Вот и получается отрицательное сопротивление в цепи анода. В реальности — отрицательное дифференциальное сопротивление, обусловленное динатронным эффектом.
Транзистор или лампа с цепью обратной связи в регенеративном приемнике
В так называемом регенеративном приемнике добротность колебательного контура повышается путем компенсации части потерь за счет энергии усилителя, благодаря введению положительной обратной связи. Можно сказать, что обратная связь вносит в колебательный контур отрицательное сопротивление, уменьшая положительное сопротивление потерь.
Другие полезные статьи по электротехнике:
Что такое внутреннее сопротивление
Почему светодиод нужно подключать через резистор
Постоянная времени электрической цепи - что это такое и где используется
Андрей Повный