负电阻的物理含义是什么？

我对负电阻的物理含义有些困惑。

从数学上讲，具有负电阻的组件会随着内部电流的增加而在其端子两端显示出递减的电压，反之亦然。但是，这在物理上怎么可能？

我读过某个地方，带有负电阻的组件的一个例子是电压源。但是我不明白这句话，因为电压源是一个最多显示（正）内部电阻的组件。

有多种机制可导致局部增大电压导致局部减小电流的区域。例如， Esaki（隧道）二极管。

一个常见的例子是具有稳定负载的开关电源。假设效率或多或少是恒定的，增加输入电压会导致消耗较少的电流。虽然它总是在消耗能量。

如果组件内没有某种能量源，则无法显示负电阻（而不是负差动电阻）的独立组件，否则它将违反能量守恒（$P = E^2/R$），负P表示能量守恒作为电源。

如果您想发挥负阻效应，一种方法（假设您不介意一端接地）是使用 负阻抗转换器：

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

上面的电路就像一个-10K电阻，其一端接地（在其线性范围内），并且工作时的电压约为零伏。它产生的任何电源均来自运算放大器电源。

在这种情况下，我们必须区分（1）纯微分（动态）负数。电阻（如其他答案的示例所示）和（b）静态负电阻。

对于差分负数。电阻（rdiff），当前的变化为负，为静态负。电阻电流本身具有负号。

我的以下回答仅涉及静态负电阻：

这样的元件不是“消耗”由电压源驱动的电流，而是以相反的方式沿相反的方向将电流（按电压计）驱动到电压源中。

因此。它是一个压控电流源。对于此类电路，只有主动实现是可能的（使用晶体管或-在大多数情况下-使用运算放大器）。最受欢迎的电路是NIC（负阻抗转换器）。

此处显示的是“ Typ-A” NIC块。接地电阻（阻抗）R3被转换为具有转换系数（-R1 / R2）的负电阻（阻抗）。此类型是短路稳定的。（对于互换的运算放大器输入，会产生开路稳定的NIC）。

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

注释：只要电压源（图中未显示）的源电阻小于R1，显示的NIC就会稳定。这些NIC块用于使滤波器，振荡器和其他具有不希望出现的正（寄生）电阻的系统失振。从数学上讲，它们可以视为串联和并联组合的“常规”电阻器-但是，当然带有负号。

一个非常流行的应用是“ NIC集成器”（或“ Deboo集成器”），其中NIC块连接到简单RC低通的公共节点。在这种情况下，NIC可以补偿pos。电阻R-因此类似于为集成电容器加载的电流源。

我读过某个地方，带有负电阻的组件的一个例子是电压源。但是我不明白这句话，因为电压源是一个最多显示（正）内部电阻的组件。

也许提到了一个电压源，因为我们都知道理想的电压源应具有零内部电阻：一个好的电压源将具有较小的正电阻，并且要加到负载的任何导线电阻都应加上该电阻。

对于电子调节的电源，有可能迫使输出电阻超过零进入负电阻区域。这是通过路由一些负载电流来完成的，以便在使输出电压上升的方向上调节稳压节点。下面是一个具有负输出电阻的常见LM317稳压器示例-请注意，某些负载会产生疯狂的结果：

$R_{load}$从5欧姆扫至15欧姆：

• 在5欧姆时，Rload两端的压降为4.322V

• 在15欧姆下，Rload两端的压降为3.993V

该1欧姆电阻的结果（以及Rload流经该电阻的方向）迫使该电源电压具有负电阻：在较重的负载下，输出电压升高。该电压增加可以补偿导线电阻两端的电压降。

电压随电流的增加而下降的任何东西都具有负电阻。

电源具有此属性。具有增加的负电阻的无源元件包括：触发阶段的任何气体放电灯泡或电弧，雪崩效应二极管，隧道二极管，SCR。

https://zh.wikipedia.org/wiki/负电阻

但是，这在物理上怎么可能？

一些组件，例如Esaki二极管和辉光管，其IV曲线完全位于I和III象限中，但在有限范围内具有负斜率区域。在该区域，该器件的小信号模型将具有负电阻。

（图片来源）

在Esaki二极管中，此行为是由隧穿电流引起的，该隧穿电流在低偏置电压下可能出现，但在较高偏置电压下却没有。

还可以在有限的范围内制作一个具有负输入电阻的运算放大器电路。由于可以从运算放大器的电源端子供电，因此IV曲线甚至可以通过II和IV象限。

我读过某个地方，带有负电阻的组件的一个例子是电压源。

观察具有固定负载的稳压开关电源的输入端，它通常会显示为负电阻。

这是因为它是恒定的功率负载。如果输入电压下降，则稳压器电路将增加汲取的电流，以便继续为负载提供所需的输出电压。

尽管负电阻掩盖了神秘色彩，但实际上这是一个非常简单的概念。通过分析电阻两端的压降可以很容易地解释这一点。

正电阻从输入电压中减去其压降，从而减小电流，而（S形）负电阻将其电压降与输入电压相加，从而增加电流。因此，正电阻会阻碍电流，而负电阻会帮助电流。

主要问题是，“负电阻器如何增加其电压？” 有两种技术可以产生两种负电阻- 微分和绝对。

从本质上讲，负差分电阻是一个正电阻，可从输入电压中减去其压降V = IR。但是，与具有恒定电阻的正电阻相反，它是动态电阻，当电流略微增加时，其电阻会显着降低。结果，电压降（增大的I和更剧烈地减小的R的乘积）反而增大了，这等效于增加电压。这是诀窍- 减少损失实际上是利润。

另请参阅：揭开负的差分电阻现象的神秘面纱。

绝对负电阻以一种更自然的方式完成-通过动态电压源（电子电路）。它与电流成比例地改变其电压（如正电阻器），但将其添加到输入电压（而不是减去）。为了增加的目的，该电压具有相反的极性。因此，该电路的名称为“电压反相负阻抗转换器”（VNIC）。

另请参阅：研究带电压反相的负阻抗转换器的线性模式

因此，“负电阻的物理含义”是“动态电阻”或“动态源”。但是，这一切有什么意义呢？负电阻可以用于什么？

负电阻可以补偿等效的正电阻。例如，如果我们将S形负电阻串联到具有相同电阻的正电阻上，则等效电阻将为零。从形象上讲，负电阻已“破坏”了正电阻，并且两个电阻的组合充当了一条导线。从数学上讲，它只是R-R = 0…但是我们人类需要一个更“物理”的解释……它是：

• 差分负电阻。如果输入源试图增加电流，则正电阻两端的压降会增加，并会影响电流。但是，负电阻会大力降低其电阻，从而将自身两端的电压降降低相同的值。整个网络的总电压不变。它的行为类似于具有零差分电阻的齐纳二极管。因此，差分负电阻补偿了正电阻两端压降的变化，而不是非常大的压降。
• 绝对负电阻。它通过插入相同的电压来补偿正电阻两端的整个压降（不仅是变化）。为此，它使用极性相反的附加电压源。整个网络的总电压不仅恒定，而且为零。网络实际上就像是“电线”，并且不会阻碍电流。这种配置的流行示例是互阻放大器和反相放大器，其中运算放大器输出充当绝对的负“电阻器”。它通过以相等的电压补偿其两端的压降来破坏反馈电阻。

普通电压源不是负的“电阻器”，因为其电压不会与电流成比例地变化……它不是动态的……它是恒定的。相反，我们可以将其视为一种“齐纳二极管”。

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为什么还有另外两种类型的负电阻？

完美的负电阻是不可能的，但是设备可以在有限范围内具有负电阻特性。

非线性设备的电阻会变化，在给定电压下，等效电阻等于线路的斜率。如果斜率在某个范围内为负，则该范围的电阻为负。

关于这句话：

我读过某个地方，带有负电阻的组件的一个例子是电压源。

我猜想“负电阻电压源”是一个至关重要的误解。

该错误可能是以下情况：

普通信号源提供U = U0-RI。

如果U0设置为0伏，则表达式变为U = -RI。

人们很容易想到电阻是负的。

实际上，负号来自用于描述U和I的约定。这些约定对于源和无源组件是不同的

通常，最重要的是在日常生活中，此约定是源的“主动符号约定”和电阻器的“被动符号约定”（Wiki链接）

很多人不知道在为电源写U = U0-RI而为电阻写U = RI时，他们没有使用相同的约定

DC-DC转换器输入是负电阻的一个很好的例子。随着电压下降，电流增加以提供相同的功率输出。运算放大器电路也会产生负电阻。

用简单的方法，电阻是电压和电流之间的比率，如果绘制某个组件中存在的电压与电流的关系图，电阻将显示为这些变量之间的斜率。在物理上，正电阻是指如果组件的电压升高，则流过的电流也将上升；否则，负电阻是指当组件的电压升高时，电流减小。