Negatif direnç - Negative resistance

Floresan lamba , negatif diferansiyel direnci olan bir cihaz. Çalışma sırasında, flüoresan tüpün içinden geçen akımdaki bir artış, onun üzerindeki voltajda bir düşüşe neden olur. Tüp doğrudan güç hattına bağlanırsa, düşen tüp voltajı giderek daha fazla akımın akmasına neden olarak arkın parlamasına ve kendini yok etmesine neden olur . Bunu önlemek için floresan tüpler bir balast vasıtasıyla elektrik hattına bağlanır . Balast , akımı sınırlayarak tüpün negatif direncine karşı koymak için devreye pozitif empedans (AC direnci) ekler .

Olarak elektronik , negatif direnç ( NR ), bazı bir özelliktir elektrik devreleri ve cihazlarda ki burada bir artış gerilimi bir azalmayla aygıtın terminalleri sonuçları karşısında elektrik akımı içinden.

Bu, uygulanan voltajın artmasının Ohm yasası nedeniyle akımda orantılı bir artışa neden olduğu ve pozitif bir dirençle sonuçlanan sıradan bir direncin aksine . Pozitif direnç, içinden geçen akımdan güç tüketirken, negatif direnç güç üretir. Belirli koşullar altında, bir elektrik sinyalinin gücünü arttırarak onu güçlendirebilir .

Negatif direnç, birkaç doğrusal olmayan elektronik bileşende meydana gelen nadir bir özelliktir . Doğrusal olmayan bir cihazda, iki tür direnç tanımlanabilir: 'statik' veya 'mutlak direnç', voltajın akıma oranı ve diferansiyel direnç , voltajdaki bir değişikliğin akımdaki sonuçtaki değişikliğe oranı . Terimi negatif direnç anlamına negatif diferansiyel direnci (NDR) , . Genel olarak, bir negatif diferansiyel direnç, aynı terminallere uygulanan bir AC sinyalini yükseltmek için terminallerine uygulanan DC gücünü AC çıkış gücüne dönüştürerek yükseltebilen iki terminalli bir bileşendir . Bunlar kullanılan elektronik osilatörler ve amplifikatörler , özellikle de mikrodalga frekansları. Çoğu mikrodalga enerjisi, negatif diferansiyel direnç cihazlarıyla üretilir. Ayrıca histerezis ve iki durumlu olabilirler ve bu nedenle anahtarlama ve hafıza devrelerinde kullanılırlar. Negatif diferansiyel dirençli cihazlara örnek olarak tünel diyotları , Gunn diyotları ve neon lambalar ve floresan lambalar gibi gaz deşarj tüpleri verilebilir . Buna ek olarak, örneğin, yükseltme cihazları içeren devreler transistörler ve op amper ile pozitif geri besleme negatif diferansiyel direncine sahip olabilir. Bunlar osilatörlerde ve aktif filtrelerde kullanılır .

Doğrusal olmadıkları için, negatif dirençli cihazlar, genellikle elektrik devrelerinde karşılaşılan pozitif "ohmik" dirençlerden daha karmaşık bir davranışa sahiptir . Çoğu pozitif dirençten farklı olarak, negatif direnç, cihaza uygulanan voltaj veya akıma bağlı olarak değişir ve negatif direnç cihazları, voltaj veya akım aralığının yalnızca sınırlı bir kısmı üzerinde negatif dirence sahip olabilir. Bu nedenle, keyfi olarak geniş bir akım aralığında sabit bir negatif dirence sahip olan pozitif bir dirence benzer gerçek bir "negatif direnç" yoktur .

Bir Gunn diyotu , elektronik osilatörlerde mikrodalga üretmek için kullanılan negatif diferansiyel dirençli bir yarı iletken cihaz

Tanımlar

Bir (A) noktasında statik direnç (B çizgisinin ters eğimi) ve diferansiyel direnç (C çizgisinin ters eğimi ) arasındaki farkı gösteren bir I–V eğrisi .

Direnç , bir elektrikli alet ya da devresinin iki terminal arasındaki akım-gerilim (belirlenir I-V ) eğrisi ( karakteristik eğrisi akımı verilmesi), herhangi bir gerilim için içinden karşıya. Elektrik devrelerinde karşılaşılan sıradan (pozitif) dirençler de dahil olmak üzere çoğu malzeme Ohm yasasına uyar ; içlerinden geçen akım, geniş bir aralıktaki voltajla orantılıdır. Yani bir omik direncin I–V eğrisi, orijinden pozitif eğimli düz bir çizgidir. Direnç, voltajın akıma oranıdır, çizginin ters eğimidir ( gerilimin bağımsız değişken olduğu I–V grafiklerinde ) ve sabittir.

Negatif direnç, birkaç doğrusal olmayan (ohmik olmayan ) cihazda oluşur. Doğrusal olmayan bir bileşende I–V eğrisi düz bir çizgi değildir, bu nedenle Ohm yasasına uymaz. Direnç hala tanımlanabilir, ancak direnç sabit değildir; cihazdan geçen voltaj veya akıma göre değişir. Böyle doğrusal olmayan bir cihazın direnci, omik dirençler için eşit olan iki şekilde tanımlanabilir:

I-V düzleminin kadranları, pasif cihazları (beyaz) ve aktif cihazları ( kırmızı ) temsil eden bölgeleri gösterir.
  • Statik direnç ( kordal direnç , mutlak direnç veya sadece direnç olarak da adlandırılır ) – Direncin genel tanımı budur; gerilimin akıma bölümü:
.
Orijinden I-V eğrisi üzerindeki noktaya doğru doğrunun ( kord ) ters eğimidir . Benzer bir güç kaynağı, pil veya elektrik jeneratörü , pozitif akım akar üzerinden çok gelen bir rezistans olarak akım yönüne, pozitif gerilim terminalinin ters pasif işaret esası ve 2. yatan noktasını temsil eden, ters işaretlere sahip olduğu ya da 4. çeyrek I-V düzlemi (diyagram sağ) . Bu nedenle, güç kaynakları resmi olarak negatif statik dirence sahiptir ( Ancak bu terim pratikte hiçbir zaman kullanılmaz çünkü "direnç" terimi yalnızca pasif bileşenlere uygulanır. Statik direnç , bir bileşendeki güç kaybını belirler. Elektrik gücü tüketen pasif cihazlar, pozitif statik direnç; elektrik enerjisi üreten aktif cihazlar ise üretmez.
  • Diferansiyel direnç ( dinamik veya artımlı direnç olarak da adlandırılır ) – Bu, gerilimin akıma göre türevidir ; akım, ters karşılık gelen değişim voltajı küçük değişim oranı eğimi arasında I-V, bir noktada eğrinin:
.
Diferansiyel direnç sadece zamanla değişen akımlarla ilgilidir. Eğimin negatif olduğu (sağa doğru azalan), yani voltajdaki bir artışın akımda bir azalmaya neden olduğu eğri üzerindeki noktalar, negatif diferansiyel dirence ( ) sahiptir . Bu tür cihazlar sinyalleri yükseltebilir ve genellikle "negatif direnç" terimi ile kastedilen budur.

Negatif direnç, pozitif direnç gibi ohm cinsinden ölçülür .

Geçirgenlik olan karşılıklı bir direnç . Bir ohm direncine sahip bir direncin iletkenliği olan siemens (eski adıyla mho ) cinsinden ölçülür . Yukarıda tanımlanan her direnç tipi karşılık gelen bir iletkenliğe sahiptir.

  • statik iletkenlik
  • diferansiyel iletkenlik

İletkenliğin, karşılık gelen direnciyle aynı işarete sahip olduğu görülebilir: Negatif bir direnç negatif bir iletkenliğe sahipken, pozitif bir direnç pozitif bir iletkenliğe sahip olacaktır.

Şekil 1: Doğrusal veya "ohmik" direncin I–V eğrisi, elektrik devrelerinde karşılaşılan yaygın direnç türü. Akım, voltajla orantılıdır, bu nedenle hem statik hem de diferansiyel direnç pozitiftir.
Şekil 2: Negatif diferansiyel dirençli I–V eğrisi ( kırmızı bölge) . Bir P noktasındaki diferansiyel direnç , o noktadaki grafiğe teğet olan doğrunun ters eğimidir.


beri ve ,
P noktasında .
Şekil 3: Bir güç kaynağının I–V eğrisi. 2. çeyrekte ( kırmızı bölge) akım pozitif terminalden dışarı akar, bu nedenle elektrik gücü cihazdan devreye akar. Noktasında Örneğin P , ve bu yüzden
Şekil 4: Negatif doğrusal veya "aktif" direncin I–V eğrisi (AR, kırmızı ) . Negatif diferansiyel direncine ve negatif statik direncine sahiptir (aktif):

Operasyon

Farklı direnç tiplerini ayırt etmenin bir yolu, bir devre ile bir elektronik bileşen arasındaki akım ve elektrik gücü yönleridir. Aşağıdaki çizimler, bir devreye bağlı bileşeni temsil eden bir dikdörtgen ile farklı türlerin nasıl çalıştığını özetlemektedir:

Bir elektrik bileşenindeki voltaj v ve akım i değişkenleri, pasif işaret kuralına göre tanımlanmalıdır ; pozitif geleneksel akım , pozitif voltaj terminaline girmek için tanımlanır; bu , devreden bileşene akan P gücünün pozitif, bileşenden devreye akan gücün ise negatif olduğu anlamına gelir. Bu hem DC hem de AC akımı için geçerlidir. Diyagram, değişkenlerin pozitif değerleri için yönleri gösterir. Pasif işaret kuralı.svg
Bir de pozitif statik direnci , böylece v ve i aynı işarete sahip. Bu nedenle, yukarıdaki pasif işaret kuralına göre, geleneksel akım (pozitif yükün akışı), pozitif terminalden negatif terminale, elektrik alanı E (azalan potansiyel ) yönünde cihazdan geçer . bu nedenle yükler , cihaz üzerinde yaparken potansiyel enerjiyi kaybeder ve elektrik gücü devreden cihaza akar ve burada ısıya veya başka bir enerji biçimine (sarı) dönüştürülür . AC voltajı uygulanırsa ve periyodik olarak yön tersine çevrilir, ancak anlık her zaman daha yüksek potansiyelden daha düşük potansiyele akar. Elektrik yükü animasyonu 2.gif
Bir güç kaynağında , , , ve zıt işaretlere sahiptir. Bu, akımın negatiften pozitif terminale akmaya zorlandığı anlamına gelir. Yükler potansiyel enerji kazanır, böylece güç cihazdan devreye akar: . Elektrik alan kuvvetine karşı bu yönde hareket etmelerini sağlamak için cihazdaki bazı güç kaynakları tarafından yükler üzerinde iş (sarı) yapılmalıdır. Elektrik güç kaynağı animasyonu 2.gif
Pasif bir negatif diferansiyel dirençte , akımın sadece AC bileşeni ters yönde akar. Statik direnç pozitiftir, bu nedenle akım pozitiften negatife akar: . Ancak voltaj arttıkça akım (şarj akış hızı) azalır. Bu nedenle, bir DC voltajına (sağda) ek olarak zamanla değişen (AC) bir voltaj uygulandığında , zamanla değişen akım ve voltaj bileşenleri zıt işaretlere sahiptir, bu nedenle . Bu, anlık AC akımının cihazdan artan AC voltajı yönünde aktığı anlamına gelir , bu nedenle AC gücü cihazdan devreye akar. Cihaz, DC gücünü tüketir, bunların bir kısmı harici devredeki bir yüke iletilebilen AC sinyal gücüne dönüştürülür ve cihazın kendisine uygulanan AC sinyalini yükseltmesini sağlar. Negatif diferansiyel direnç animasyonu.gif

Türler ve terminoloji

r fark  > 0
Pozitif diferansiyel direnç
r fark  < 0
Negatif diferansiyel direnç
R statik  > 0
Pasif:Net güç
tüketir
Pozitif dirençler:
  • dirençler
  • Sıradan diyotlar
  • Çoğu pasif bileşen
Pasif negatif diferansiyel dirençler:
  • Tünel diyotları
  • Gunn diyotları
  • Gaz deşarj tüpleri
R statik  < 0
Aktif:Net güç
üretir
Güç kaynakları:
  • Piller
  • jeneratörler
  • transistörler
  • En aktif bileşenler
"Aktif dirençler"
Aşağıdaki durumlarda kullanılan pozitif geri besleme amplifikatörleri:
  • Geri beslemeli osilatörler
  • Negatif empedans dönüştürücüler
  • Aktif filtreler

Bir elektronik cihazda, diferansiyel direnç , statik direnç veya her ikisi negatif olabilir, bu nedenle "negatif dirençler" olarak adlandırılabilecek üç cihaz kategorisi vardır (yukarıdaki şekil 2-4 ve tablo) .

"Negatif direnç" terimi neredeyse her zaman negatif diferansiyel direnç anlamına gelir . Negatif diferansiyel direnç cihazlarının benzersiz yetenekleri vardır: tek portlu amplifikatörler olarak hareket edebilirler , portlarına (terminallere) uygulanan zamanla değişen bir sinyalin gücünü arttırırlar veya bir osilatör yapmak için ayarlanmış bir devrede salınımları uyarırlar . Histerezisi de olabilir . Güç kaynağı olmadan bir cihazın negatif diferansiyel direncine sahip olması mümkün değildir ve bu cihazlar güçlerini dahili bir kaynaktan mı yoksa portlarından mı aldıklarına göre iki kategoriye ayrılabilir:

Diyagram negatif direnç.GIF
  • Pasif negatif diferansiyel direnç cihazları (yukarıdaki şekil 2): ​​Bunlar en iyi bilinen "negatif dirençler" türüdür; İçsel I–V eğrisi, sınırlı bir aralıkta artan voltajla akımın azalmasına neden olan aşağı doğru bir "bükülme"ye sahip olan pasif iki terminalli bileşenler . I-V, negatif direnç bölgesi yer alır ve 1 ve aygıt pozitif statik direncine sahiptir, böylece düzlem 3. çeyrek ve eğri. Örnekler gaz deşarj tüpleri , tünel diyotları ve Gunn diyotlarıdır . Bu cihazların dahili güç kaynağı yoktur ve genel olarak harici DC gücünü bağlantı noktalarından zamana göre değişen (AC) güce dönüştürerek çalışırlar, bu nedenle sinyale ek olarak bağlantı noktasına uygulanan bir DC öngerilim akımı gerektirirler. Karışıklığa ek olarak, bazı yazarlar, amplifiye edebildikleri için bu "aktif" cihazları çağırıyorlar. Bu kategori ayrıca, tek bağlantı transistörü gibi birkaç üç terminalli cihazı da içerir. Aşağıdaki Negatif diferansiyel direnç bölümünde ele alınmaktadır .
Aktif negatif diferansiyel dirençler.svg
  • Aktif negatif diferansiyel direnç cihazları (şekil 4): Terminallere uygulanan pozitif voltajın orantılı bir "negatif" akıma neden olacağı devreler tasarlanabilir; bir akım üzerinden yukarıdaki cihazları farklı olarak sınırlı üzerinden pozitif terminali, normal bir direncin karşısında, aşağıya doğru eğimli bölge I-V, bu 2 ve 4 içinde uzanması için eğri, başlangıç noktasından geçtiği uçağın kadranları, yani cihazın güç kaynağı. Pozitif geri beslemeli transistörler ve op- amp'ler gibi yükseltici cihazlar bu tür bir negatif dirence sahip olabilir ve geri besleme osilatörlerinde ve aktif filtrelerde kullanılır . Bu devreler bağlantı noktalarından net güç ürettiğinden, dahili bir DC güç kaynağına veya harici bir güç kaynağına ayrı bir bağlantıya sahip olmaları gerekir. Olarak devre teori , bu bir "aktif direnci" olarak adlandırılır. Bu tip bazen "pasif" negatif diferansiyel dirençlerden ayırt etmek için "doğrusal", "mutlak", "ideal" veya "saf" negatif direnç olarak adlandırılsa da, elektronikte daha sık olarak pozitif geri besleme veya rejenerasyon olarak adlandırılır . Bunlar, aşağıdaki Aktif dirençler bölümünde ele alınmıştır .
Bir pil , normal çalışma aralığının üzerinde negatif statik dirence (kırmızı), ancak pozitif diferansiyel dirence sahiptir.

Bazen sıradan güç kaynakları "negatif dirençler" olarak adlandırılır (yukarıdaki şekil 3). Aktif cihazların (güç kaynaklarının) "statik" veya "mutlak" direnci negatif olarak kabul edilebilse de (aşağıdaki Negatif statik direnç bölümüne bakın) piller , jeneratörler ve (pozitif olmayan geri besleme ) gibi çoğu sıradan güç kaynakları (AC veya DC) ) yükselteçler, pozitif diferansiyel dirence sahiptir ( kaynak dirençleri ). Bu nedenle, bu cihazlar tek portlu amplifikatörler olarak işlev göremez veya diğer negatif diferansiyel direnç yeteneklerine sahip olamaz.

Negatif direnç cihazlarının listesi

Negatif diferansiyel dirençli elektronik bileşenler şu cihazları içerir:

Gazlar yoluyla elektrik deşarjları da bu cihazlar dahil olmak üzere negatif diferansiyel direnç gösterir.

Ek olarak, negatif diferansiyel dirençli aktif devreler , geri besleme kullanılarak transistörler ve op amperler gibi yükseltici cihazlarla da oluşturulabilir . Son yıllarda bir dizi yeni deneysel negatif diferansiyel direnç materyali ve cihazı keşfedilmiştir. Negatif dirence neden olan fiziksel süreçler çeşitlidir ve her cihaz tipi, akım-voltaj eğrisi ile belirtilen kendi negatif direnç özelliklerine sahiptir .

Negatif statik veya "mutlak" direnç

Pozitif bir statik direnç (solda) , elektrik gücünü ısıya dönüştürerek çevresini ısıtır. Ancak negatif bir statik direnç, ortam ısısını ortamdan elektrik gücüne çevirerek ters (sağda) bu şekilde çalışamaz , çünkü iş üretmek için bir sıcaklık farkı gerektiren termodinamiğin ikinci yasasını ihlal eder . Bu nedenle, negatif bir statik direnç, başka bir güç kaynağına sahip olmalıdır.

Bir karışıklık noktası, sıradan direncin ("statik" veya "mutlak" direnç, ) negatif olup olmayacağıdır. Elektronikte "direnç" terimi, geleneksel olarak yalnızca pasif malzemeler ve teller, dirençler ve diyotlar gibi bileşenlere uygulanır . Bunlar Joule yasasının gösterdiği gibi olamaz . Pasif bir cihaz, pasif işaret kuralından dolayı elektrik gücü tüketir . Bu nedenle, Joule yasasından . Başka bir deyişle, hiçbir malzeme elektrik akımını sıfır dirençli "mükemmel" bir iletkenden daha iyi iletemez. Pasif cihaz olması için ya da ihlal edecek enerji tasarrufu veya Termodinamiğin ikinci yasasını , (şema) . Bu nedenle bazı yazarlar statik direncin asla negatif olamayacağını belirtmektedir.

Kaynaktan KVL , bir güç kaynağı (statik direnci R S ), bir akü gibi, her zaman kendi yük (statik direncinin negatif için eşit R L ).

Bununla birlikte, herhangi bir güç kaynağının (AC veya DC) terminallerindeki voltajın akıma oranının v/i'nin negatif olduğu kolayca gösterilir . Elektrik gücünün ( potansiyel enerji ) bir cihazdan devreye akması için, yükün cihazdan artan potansiyel enerji yönünde akması, konvansiyonel akımın (pozitif yük) negatif terminalden pozitif terminale hareket etmesi gerekir. Yani anlık akımın yönü olduğunu dışarı pozitif terminal. Bu, pasif işaret kuralı tarafından tanımlanan pasif bir cihazdaki akımın yönünün tersidir, bu nedenle akım ve voltajın zıt işaretleri vardır ve oranları negatiftir.

Bu aynı zamanda Joule yasasından da kanıtlanabilir.

Bu, gücün bir cihazdan devreye ( ) ancak ve ancak , geçebileceğini gösterir . Negatif olduğunda bu miktarın "direnç" olarak adlandırılıp adlandırılmayacağı bir gelenek meselesidir. Güç kaynaklarının mutlak direnci negatiftir, ancak bu, pozitif dirençlerle aynı anlamda "direnç" olarak görülmemelidir. Bir güç kaynağının negatif statik direnci oldukça soyuttur ve yüke göre değiştiği için pek kullanışlı değildir. Enerjinin korunumu nedeniyle , her zaman bağlı devrenin statik direncinin negatifine eşittir (sağda) .

Elektrik alanına karşı pozitif terminale doğru hareket etmelerini sağlamak için, cihazdaki bazı enerji kaynakları tarafından yükler üzerinde çalışma yapılmalıdır, bu nedenle enerjinin korunumu, negatif statik dirençlerin bir güç kaynağına sahip olmasını gerektirir. Güç, pil veya jeneratörde olduğu gibi başka bir enerji biçimini elektrik gücüne dönüştüren dahili bir kaynaktan veya bir transistör , vakum tüpü veya op gibi bir yükseltici cihazda olduğu gibi harici bir güç kaynağı devresine ayrı bir bağlantıdan gelebilir. amp .

nihai pasiflik

Bir devre sonsuz bir voltaj veya akım aralığında negatif statik dirence sahip olamaz (aktif olabilir), çünkü sonsuz güç üretebilmesi gerekir. Sonlu bir güç kaynağına sahip herhangi bir aktif devre veya cihaz " eninde sonunda pasiftir ". Bu özellik, yeterince büyük bir harici voltaj veya herhangi bir polarite akımı uygulandığında, statik direncinin pozitif hale geldiği ve güç tükettiği anlamına gelir.

cihazın üretebileceği maksimum güç nerede .

Bu nedenle, I-V eğrisinin uçları sonunda dönecek ve 1. ve 3. kadranlara girecektir. Bu nedenle, negatif statik dirence sahip eğrinin aralığı sınırlıdır, orijin etrafındaki bir bölge ile sınırlıdır. Örneğin, bir jeneratöre veya aküye (yukarıdaki grafik) açık devre voltajından daha büyük bir voltaj uygulamak , akımın akışının yönünü tersine çevirecek ve statik direncini pozitif hale getirerek güç tüketecektir. Benzer şekilde, negatif empedans dönüştürücüye, güç kaynağı voltajı V s'den daha büyük bir voltaj uygulamak , amplifikatörün doymasına neden olacak ve ayrıca direncini pozitif hale getirecektir.

Negatif diferansiyel direnç

Negatif diferansiyel dirençli (NDR) bir cihazda veya devrede, I–V eğrisinin bir kısmında voltaj arttıkça akım azalır:

I-V eğrisidir nonmonotonic negatif diferansiyel direncini temsil eden negatif eğim bölgeleri ile (sahip olan tepe ve çukur noktalarının).

Negatif diferansiyel direnç
Voltaj kontrollü (N tipi)
Akım kontrollü (S tipi)

Pasif negatif diferansiyel dirençlerin pozitif statik direnci vardır; net güç tüketirler. Bu nedenle, I-V eğrisi grafiğin 1. ve 3. kadranları ile sınırlıdır ve orijinden geçer. Bu gereklilik, (bazı asimptotik durumlar hariç) negatif direnç bölgesinin/bölgelerinin sınırlandırılması ve pozitif direnç bölgeleriyle çevrelenmesi gerektiği ve orijini içeremeyeceği anlamına gelir.

Türler

Negatif diferansiyel dirençler iki tipte sınıflandırılabilir:

  • Akım kontrollü negatif direnç ( CCNR , açık devre kararlı veya " S " tipi): Bu tipte, VCNR'nin ikilisi olan voltaj, akımın tek değerli bir fonksiyonudur, ancak akım, voltajın çok değerli bir fonksiyonudur. . En yaygın tipte, bir negatif direnç bölgesi olan grafik, "S" harfi şeklinde bir eğridir. Bu tip negatif dirence sahip cihazlar arasında IMPATT diyot , UJT, SCR'ler ve diğer tristörler , elektrik arkı ve gaz deşarj tüpleri bulunur .

Çoğu cihazın tek bir negatif direnç bölgesi vardır. Bununla birlikte, birden fazla ayrı negatif direnç bölgesine sahip cihazlar da üretilebilir. Bunlar ikiden fazla kararlı duruma sahip olabilir ve çok değerli mantık uygulamak için dijital devrelerde kullanım için ilgi çekicidir .

Farklı cihazları karşılaştırmak için kullanılan içsel bir parametre, tepe-vadi akım oranıdır (PVR), negatif direnç bölgesinin üstündeki akımın alttaki akıma oranıdır ( yukarıdaki grafiklere bakın) :

Bu ne kadar büyükse, belirli bir DC öngerilim akımı için potansiyel AC çıkışı o kadar büyük ve dolayısıyla verimlilik o kadar yüksek

Amplifikasyon

Tünel diyot yükseltici devresi. Yana toplam direncin seri olarak iki dirençleri toplamı ( ) giriş voltajında artış bir neden olur, böylece negatif azalma akımında. Devre çalışma noktası, diyot eğrisi (siyah) ile direnç yük hattı (mavi) arasındaki kesişme noktasıdır . Yük hattını sağa hareket ettiren giriş voltajındaki küçük bir artış (yeşil) , diyot boyunca akımda büyük bir düşüşe ve dolayısıyla diyot boyunca voltajda büyük bir artışa neden olur .

Negatif bir diferansiyel direnç cihazı , sinyal, I–V eğrisinin negatif direnç bölgesi içinde kalacak şekilde bir DC voltajı veya akımı ile önyargılıysa , kendisine uygulanan bir AC sinyalini yükseltebilir .

Tünel diyodu devresi (şekle bakınız) bir örnektir. Tünel diyotu TD , voltaj kontrollü negatif diferansiyel dirence sahiptir. Pil , diyot boyunca sabit bir voltaj (önyargı) ekler, böylece negatif direnç aralığında çalışır ve sinyali yükseltmek için güç sağlar. Önyargı noktasındaki negatif direncin olduğunu varsayalım . Kararlılık için daha az olmalıdır . Voltaj bölücü formülü kullanılarak AC çıkış voltajı

  böylece gerilim kazancı olduğunu  

Normal bir voltaj bölücüde, her bir dalın direnci, bütünün direncinden daha azdır, bu nedenle çıkış voltajı girişten daha azdır. Burada, negatif direnç nedeniyle, toplam AC direnci tek başına diyotun direncinden daha azdır, dolayısıyla AC çıkış voltajı girişten daha büyüktür . Gerilim kazancı birden büyüktür ve yaklaştıkça sınırsız olarak artar .

Güç kazancı açıklaması

Önyargılı bir NDR'ye uygulanan bir AC voltajı. Akım ve gerilim değişim, ters işaretlere sahip olduğu (renk ile gösterilmiştir) , AC güç dağılımı Δ v Δ i olan negatif , cihaz tüketen yerine AC güç üretir.
Harici devreye bağlı NDR'nin AC eşdeğer devresi. NDR , Δ i = Δ v / r değerinde bağımlı bir AC akım kaynağı olarak işlev görür . Akım ve voltaj 180° faz dışı olduğundan, anlık AC akımı Δ i , pozitif AC voltajı Δ v ile terminalden dışarı akar . Bu nedenle , R yükü aracılığıyla AC kaynak akımına Δ i S ekler ve çıkış gücünü arttırır.

Diyagramlar, önyargılı bir negatif diferansiyel direnç cihazının, sadece iki terminali olmasına rağmen, kendisine uygulanan bir sinyalin gücünü nasıl artırabileceğini göstermektedir. Süperpozisyon ilkesi nedeniyle , cihazın terminallerindeki voltaj ve akım, bir DC öngerilim bileşeni ( ) ve bir AC bileşeni ( ) olarak ayrılabilir .

Gerilimdeki pozitif değişim akımda negatif değişime neden olduğu için cihazdaki AC akım ve gerilim 180° faz dışıdır . Bu, AC eşdeğer devresinde (sağda) , anlık AC akımının Δ i , bir jeneratörde olduğu gibi , artan AC potansiyeli Δ v yönünde cihazdan aktığı anlamına gelir . Bu nedenle, AC güç kaybı negatiftir ; AC gücü cihaz tarafından üretilir ve harici devreye akar.

Uygun harici devre ile cihaz, bir yüke iletilen AC sinyal gücünü artırabilir, bir amplifikatör görevi görebilir veya bir osilatör yapmak için bir rezonans devresindeki salınımları harekete geçirebilir . Bir transistör veya op amp gibi iki bağlantı noktalı bir yükseltme aygıtından farklı olarak, yükseltilen sinyal , giriş sinyali girerken aygıtı aynı iki terminalden ( bağlantı noktası ) terk eder .

Pasif bir cihazda, üretilen AC gücü giriş DC öngerilim akımından gelir, cihaz DC gücünü emer, bunların bir kısmı cihazın doğrusal olmamasıyla AC gücüne dönüştürülerek uygulanan sinyali yükseltir. Bu nedenle, çıkış gücü, öngerilim gücü ile sınırlıdır.

Negatif diferansiyel direnç bölgesi orijini içeremez, çünkü daha sonra uygulanan DC öngerilim akımı olmadan bir sinyali yükseltebilir ve güç girişi olmadan AC gücü üretebilir. Cihaz ayrıca DC gücü girişi ile AC gücü çıkışı arasındaki farka eşit olarak bir miktar gücü ısı olarak yayar.

Cihazın reaktansı da olabilir ve bu nedenle akım ile gerilim arasındaki faz farkı 180°'den farklı olabilir ve frekansa göre değişebilir. Empedansın gerçek bileşeni negatif olduğu sürece (faz açısı 90° ile 270° arasında), cihaz negatif dirence sahip olacak ve amplifikasyon yapabilecektir.

Maksimum AC çıkış gücü, negatif direnç bölgesinin boyutuyla sınırlıdır ( yukarıdaki grafiklerde)

Yansıma katsayısı

Negatif direnç devresinin genel (AC) modeli: pozitif dirence sahip olan bir harici devreye bağlı bir negatif diferansiyel direnç cihazı . Her ikisinin de reaktansı olabilir ( )

Çıkış sinyalinin giriş sinyalinin girdiği aynı port üzerinden negatif bir direnç bırakabilmesinin nedeni, iletim hattı teorisinden, bir bileşenin terminallerindeki AC voltajının veya akımının iki zıt hareket eden dalgaya, gelen dalgaya bölünebilmesidir. cihaza doğru hareket eden , ve cihazdan uzaklaşan yansıyan dalga . Bir devredeki negatif diferansiyel direnç, yansıma katsayısının büyüklüğü , yansıyan dalganın gelen dalgaya oranı birden büyükse, yükseltebilir .

  nerede  

"Yansıyan" (çıkış) sinyal, olaydan daha büyük genliğe sahiptir; cihazın "yansıma kazancı" vardır. Yansıma katsayısı, negatif direnç cihazının AC empedansı ve ona bağlı devrenin empedansı ile belirlenir . Eğer ve sonra ve cihaz güçlendirilecektir. Yüksek frekanslı devrelerin tasarımında yaygın olarak kullanılan bir grafik yardımcı olan Smith grafiğinde , negatif diferansiyel direnç, birim çemberin dışındaki noktalara karşılık gelir , geleneksel çizelgenin sınırı, bu nedenle özel "genişletilmiş" çizelgeler kullanılmalıdır.

Stabilite koşulları

Doğrusal olmadığı için, negatif diferansiyel dirençli bir devre , I–V eğrisi üzerinde uzanan birden fazla denge noktasına (olası DC çalışma noktaları) sahip olabilir . Bir denge noktası kararlı olacaktır , bu nedenle, kutupları s düzleminin (LHP) sol yarısındaysa , devre noktanın bir komşuluğunda ona yakınsar ve bir nokta kararsızsa, devrenin salınmasına veya "kilitlenmesine" neden olur. yukarı" (başka bir noktaya yakınsama), eğer kutupları sırasıyla ekseninde veya sağ yarı düzlemde (RHP) ise. Buna karşılık, doğrusal bir devre, kararlı veya kararsız olabilen tek bir denge noktasına sahiptir. Denge noktaları, DC öngerilim devresi tarafından belirlenir ve kararlılıkları, harici devrenin AC empedansı tarafından belirlenir . Bununla birlikte, eğrilerin farklı şekilleri nedeniyle, VCNR ve CCNR negatif direnç türleri için kararlılık koşulu farklıdır:

  • CCNR (S-tipi) negatif dirençte, direnç fonksiyonu tek değerlidir. Bu nedenle kararlılık, devrenin empedans denkleminin kutupları tarafından belirlenir: .
Reaktif olmayan devreler için ( ) kararlılık için yeterli koşul, toplam direncin pozitif olmasıdır.
bu nedenle CCNR kararlıdır

.

CCNR'ler hiç yük olmadan kararlı olduklarından, "açık devre kararlı" olarak adlandırılırlar .
  • Bir VCNR (N-tipi) negatif dirençte, iletkenlik fonksiyonu tek değerlidir. Bu nedenle kararlılık, kabul denkleminin kutupları tarafından belirlenir . Bu nedenle VCNR'ye bazen negatif iletkenlik denir .
Yukarıdaki gibi, reaktif olmayan devreler için kararlılık için yeterli koşul , devredeki toplam iletkenliğin pozitif olmasıdır.
bu nedenle VCNR aşağıdakiler için kararlıdır:

.

VCNR'ler kısa devreli bir çıkışla bile kararlı olduklarından, "kısa devre kararlı" olarak adlandırılırlar .

Reaktanslı genel negatif direnç devreleri için kararlılık, Nyquist kararlılık kriteri gibi standart testlerle belirlenmelidir . Alternatif olarak, yüksek frekanslı devre tasarımında, devrenin kararlı olduğu değerler , bir Smith grafiğinde "kararlılık çemberleri" kullanılarak bir grafik tekniği ile belirlenir .

Çalışma bölgeleri ve uygulamaları

Basit reaktif olmayan negatif direnç cihazları için ve ile gösterilebilir cihazı farklı çalışma bölgelerinde yükleme hattı üzerinde I-V eğrisi (grafikler bakınız) .

VCNR (N tipi) yük hatları ve stabilite bölgeleri
CCNR (S tipi) yük hatları ve stabilite bölgeleri

DC yük hattı (DCL), DC öngerilim devresi tarafından denklemle belirlenen düz bir çizgidir.

DC öngerilim besleme voltajı nerede ve R, kaynağın direncidir. Olası DC çalışma noktaları ( Q noktaları ), DC yük çizgisinin I–V eğrisini kestiği yerde meydana gelir . istikrar için

  • VCNR'ler , voltaj kaynağı gibi düşük bir empedans önyargısı ( ) gerektirir .
  • CCNR'ler, akım kaynağı veya yüksek dirençli seri gerilim kaynağı gibi yüksek bir empedans önyargısı ( ) gerektirir .

AC yük çizgisi ( L 1L 3 ), eğimi cihaza bakan diferansiyel (AC) direnç olan Q noktasından geçen düz bir çizgidir . Arttırma , yük çizgisini saat yönünün tersine döndürür. Devre , bağlı olarak üç olası bölgeden birinde çalışır (şemalara bakın) .

  • Kararlı bölgesi (yeşil) (hat ile gösterilen L 1 ): Bu bölgedeki yükleme hattı yatıyor, bu kesişen zaman I-V, bir nokta eğri Q 1 . Reaktif olmayan devreler için bu kararlı bir dengedir (LHP'deki kutuplar ), dolayısıyla devre kararlıdır. Negatif direnç yükselteçleri bu bölgede çalışır. Bununla birlikte, histerezis nedeniyle, bir kapasitör veya indüktör gibi bir enerji depolama cihazı ile devre, doğrusal olmayan bir gevşeme osilatörü ( kararsız multivibratör ) veya tek kararlı bir multivibratör yapmak için kararsız hale gelebilir.
    • VCNR'ler, .
    • CCNR'ler, .
  • Kararsız nokta ( L 2 Çizgisi ): Yük çizgisi I–V eğrisine teğet olduğunda . Devrenin toplam diferansiyel (AC) direnci sıfırdır ( eksenindeki kutuplar ), bu nedenle kararsızdır ve ayarlanmış bir devre ile salınım yapabilir. Lineer osilatörler bu noktada çalışır. Pratik osilatörler aslında aşağıdaki kararsız bölgede başlar, kutuplar RHP'dedir, ancak genlik arttıkça salınımlar doğrusal olmayan hale gelir ve nihai pasiflik nedeniyle , artan genlikle birlikte negatif direnç r azalır, bu nedenle salınımlar burada bir genlikte sabitlenir .
  • Bistable bölgesi (kırmızı) (çizgi ile gösterilen L 3 yük hattının kesiştiği yerde bu bölgede:) I-V, üç noktada eğrisi. Orta noktası ( Q, 1 ) 'in bir nokta kararsız denge iki dış nokta ise, (ÜSP kutupların) Q, 2 ve Q, 3 olan kararlı denge . Böylece doğru polarlama ile devre iki durumlu olabilir, Q 2 veya Q 3 noktalarından birine yakınsarve bir giriş darbesi ile bunlar arasında geçiş yapılabilir. Flip-floplar ( çift ​​durumlu multivibratörler ) ve Schmidt tetikleyicileri gibi anahtarlama devreleribu bölgede çalışır.
    • VCNR'ler şu durumlarda iki durumlu olabilir:
    • CCNR'ler şu durumlarda iki durumlu olabilir:

Aktif dirençler – geri beslemeden gelen negatif direnç

"Aktif" negatif dirençlerin tipik I–V eğrileri: N-tipi (solda) ve S-tipi (ortada) , geri besleme amplifikatörleri tarafından üretilir. Bunlar negatif diferansiyel dirence ( kırmızı bölge) sahiptir ve güç üretir (gri bölge) . Porta her iki polaritede de yeterince büyük bir voltaj veya akım uygulamak, cihazı, amplifikatörün doygunluğunun diferansiyel direncin pozitif olmasına ( eğrinin siyah kısmı) neden olduğu ve besleme voltajı raylarının üzerinde statik direncin pozitif hale geldiği doğrusal olmayan bölgesine taşır. ve cihaz güç tüketir. Negatif direnç, döngü kazancına bağlıdır (sağda) .
Girişinde negatif dirence sahip pozitif geri beslemeli bir amplifikatör örneği. Giriş akımı I olan giriş direnci yani . Negatif giriş direncine sahip olacaksa .



Yukarıdaki içsel negatif diferansiyel dirence sahip pasif cihazlara ek olarak, transistörler veya op amperler gibi yükseltici cihazlara sahip devrelerin portlarında negatif dirence sahip olabilir. Giriş veya çıkış empedansı ile yeterli bir amplifikatör pozitif geri besleme negatif olabilir uygulanmış. Eğer geri besleme olmadan amplifikatörün giriş direnci, bir yükseltici kazancı ve bir transfer fonksiyonu geri besleme yolu, pozitif şant geri besleme ile giriş direnci

Yani döngü kazancı birden büyükse, negatif olacaktır. Devre, sınırlı bir aralıkta "negatif doğrusal direnç" gibi davranır ve I-V eğrisi, orijinden negatif eğimli düz bir çizgi parçasına sahiptir (grafiklere bakın) . Hem negatif diferansiyel direncine sahiptir hem de aktiftir.

ve böylece Ohm yasasına , lineer aralığı üzerinde −R negatif bir direnç değerine sahipmiş gibi uyar (bu tür yükselteçler , orijinden geçmeyen daha karmaşık negatif direnç I–V eğrilerine de sahip olabilir).

Devre teorisinde bunlara "aktif dirençler" denir. Terminaller boyunca bir voltaj uygulanması, orantılı bir akım neden out pozitif terminali, normal bir direncin ters. Örneğin, bir pilin terminallere bağlanması pilin boşalmasına değil şarj olmasına neden olur .

Tek portlu cihazlar olarak kabul edilen bu devreler, yukarıdaki pasif negatif diferansiyel direnç bileşenlerine benzer şekilde çalışır ve bunlar gibi, aşağıdaki avantajlarla tek portlu amplifikatörler ve osilatörler yapmak için kullanılabilir:

  • aktif cihazlar oldukları için güç sağlamak için harici bir DC öngerilim gerektirmezler ve DC kuplajlı olabilirler ,
  • Negatif direnç miktarı döngü kazancını ayarlayarak değiştirilebilir ,
  • lineer devre elemanları olabilirler; İşlem, orijine yakın eğrinin düz bölümü ile sınırlıysa, voltaj akımla orantılıdır, bu nedenle harmonik bozulmaya neden olmazlar .

I-V eğrisi geri besleme döngüsü, "şant" ya da "seri" olarak bağlı olup olmadığına bağlı olarak, voltaj kontrollü ( "K" tipi) veya akım kontrol ( "S" tipi) negatif direnç olabilir.

Negatif reaktanslar (aşağıda) da oluşturulabilir, bu nedenle geri besleme devreleri, negatif değerlere sahip "aktif" lineer devre elemanları, dirençler, kapasitörler ve indüktörler oluşturmak için kullanılabilir. Pozitif devre elemanları ile gerçekleştirilemeyecek transfer fonksiyonları oluşturabildikleri için aktif filtrelerde yaygın olarak kullanılırlar . Bu tip negatif dirençli devrelere örnek olarak, negatif empedans dönüştürücü (NIC), jiratör , Deboo entegratörü, frekansa bağlı negatif direnç (FDNR) ve genelleştirilmiş immitans dönüştürücü (GIC) verilebilir.

Geri beslemeli osilatörler

Yukarıdaki gibi bir pozitif geri besleme amplifikatörünün girişi boyunca bir LC devresi bağlanırsa, negatif diferansiyel giriş direnci , ayarlanmış devrede bulunan pozitif kayıp direncini iptal edebilir . Eğer bu etki sıfır AC direnç (bir ayarlı devre meydana gelir kutup üzerinde jw ekseni). Amplifikatörden gelen güç tarafından sürdürülen rezonans frekansında ayarlanmış devrede spontan salınım uyarılacaktır. Bu nasıl geri beslemeli gibi Hartley veya Colpitts osilatörler çalışmaları. Bu negatif direnç modeli, geri beslemeli osilatör çalışmasını analiz etmenin alternatif bir yoludur. Tüm lineer osilatör devreleri negatif dirence sahiptir, ancak çoğu geri beslemeli osilatörde ayarlı devre geri besleme ağının ayrılmaz bir parçasıdır, bu nedenle devre tüm frekanslarda negatif dirence sahip değildir, sadece salınım frekansına yakındır.

Q geliştirme

Parazitik kayıp direncinin (böylece ) tamamını olmasa da bir kısmını iptal eden negatif bir dirence bağlı ayarlanmış bir devre salınmayacaktır, ancak negatif direnç devredeki sönümü azaltacak ( kutuplarını eksenine doğru hareket ettirerek ) Q değerini artıracaktır. faktör, böylece daha dar bir bant genişliğine ve daha fazla seçiciliğe sahip olur . Rejenerasyon olarak da adlandırılan Q geliştirme, ilk olarak 1912'de Edwin Armstrong tarafından icat edilen rejeneratif radyo alıcısında ve daha sonra "Q çarpanlarında" kullanıldı. Aktif filtrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, RF entegre devreleri , çip üzerinde üretilmiş bir spiral iletkenden oluşan, yerden tasarruf etmek için entegre indüktörler kullanır. Bunlar yüksek kayıplara ve düşük Q'ya sahiptir, bu nedenle yüksek Q ayarlı devreler oluşturmak için negatif direnç uygulanarak Q'ları artırılır.

kaotik devreler

Kaotik davranış sergileyen devreler , yarı-periyodik veya periyodik olmayan osilatörler olarak kabul edilebilir ve tüm osilatörler gibi, güç sağlamak için devrede negatif bir direnç gerektirir. Kaotik bir sistemin standart örneği olarak yaygın olarak kullanılan basit bir doğrusal olmayan devre olan Chua'nın devresi , bazen Chua'nın diyotu olarak adlandırılan doğrusal olmayan bir aktif direnç bileşeni gerektirir . Bu genellikle bir negatif empedans dönüştürücü devresi kullanılarak sentezlenir.

Negatif empedans dönüştürücü

Negatif empedans dönüştürücü (solda) ve I–V eğrisi (sağda) . Kırmızı bölgede negatif diferansiyel dirence sahiptir ve gri bölgede güç sağlar.

"Aktif direnç" devresinin yaygın bir örneği , şemada gösterilen negatif empedans dönüştürücüdür (NIC). İki direnç ve op amp, kazancı 2 olan bir negatif geri beslemeli, ters çevirmeyen bir yükseltici oluşturur. Op-amp'in çıkış voltajı

Bu nedenle , girişe bir voltaj uygulanırsa, aynı voltaj "geriye" uygulanır ve akımın girişten dışarı akmasına neden olur. akım

Böylece devreye giriş empedansı

Devre empedansı negatife çevirir . Eğer değer bir dirençtir op lineer aralığında, amper giriş empedansı değerinin bir doğrusal "negatif direnç" gibi davranır . Devrenin giriş portu, bir bileşenmiş gibi başka bir devreye bağlanır. Bir NIC, başka bir devredeki istenmeyen pozitif direnci iptal edebilir, örneğin, telefon kablolarındaki direnci iptal etmek için geliştirilmişlerdir ve tekrarlayıcı görevi görürler .

Negatif kapasitans ve endüktans

Değiştirerek bir kondansatör ile yukarıda devresinde ( ) ya da indüktör ( ) , negatif kapasitans ve endüktanslann de sentezlenebilir. Negatif bir kapasitans, bir I-V ilişkisine ve bir empedansa sahip olacaktır .

nerede . Negatif bir kapasitansa pozitif bir akım uygulamak, onun deşarj olmasına neden olur ; voltajı düşecektir . Benzer şekilde, bir negatif endüktans I-V karakteristiğine ve empedansına sahip olacaktır .

Negatif kapasitansa veya endüktansa sahip bir devre, başka bir devrede istenmeyen pozitif kapasitans veya endüktansı iptal etmek için kullanılabilir. Telefon kablolarındaki reaktansı iptal etmek için NIC devreleri kullanıldı.

Onlara bakmanın başka bir yolu da var. Negatif kapasitansta akım, pozitif kapasitansta akımın 180° zıt fazında olacaktır. Gerilimi 90° yönlendirmek yerine, bir indüktörde olduğu gibi gerilimden 90° gerileyecektir. Bu nedenle, negatif bir kapasitans, empedansın frekansa ω ters bağımlı olduğu bir endüktans gibi davranır; gerçek bir endüktans gibi artmak yerine azalmak Benzer şekilde, negatif bir endüktans, frekansla birlikte artan empedansı olan bir kapasitans gibi davranır. Negatif kapasitanslar ve endüktanslar, Foster'ın reaktans teoremini ihlal eden "Foster olmayan" devrelerdir . Araştırılmakta olan bir uygulama , mevcut ağlarda olduğu gibi sadece tek bir frekans yerine geniş bir frekans aralığında bir anteni bir iletim hattıyla eşleştirebilen aktif bir eşleştirme ağı oluşturmaktır . Bu , Chu-Harrington sınırını aşan geniş bant genişliğine sahip küçük kompakt antenlerin oluşturulmasına izin verecektir .

osilatörler

Bir boşluk rezonatörü içinde bir Gunn diyotundan oluşan bir osilatör . Diyotun negatif direnci , boşluktan bir dalga kılavuzuna (gösterilmemiştir) yayılan mikrodalga salınımlarını uyarır .

Negatif diferansiyel direnç cihazları, elektronik osilatörlerin yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır . Negatif dirençli bir osilatörde, bir IMPATT diyotu , Gunn diyotu veya mikrodalga vakum tüpü gibi bir negatif diferansiyel direnç cihazı , LC devresi , kuvars kristali , dielektrik rezonatör veya boşluk rezonatörü gibi bir elektrik rezonatörüne bir DC kaynağı ile bağlanır . cihazı negatif direnç bölgesine bastırın ve güç sağlayın. LC devresi gibi bir rezonatör "neredeyse" bir osilatördür; salınan elektrik enerjisini depolayabilir, ancak tüm rezonatörlerin iç direnci veya başka kayıpları olduğundan, salınımlar sönümlenir ve sıfıra düşer. Negatif direnç, rezonatörün pozitif direncini iptal ederek, aslında rezonatörün rezonans frekansında kendiliğinden sürekli salınımların meydana geldiği kayıpsız bir rezonatör yaratır .

kullanır

Negatif dirençli osilatörler, geri besleme osilatörleri bu frekanslarda zayıf çalıştığından , çoğunlukla mikrodalga aralığında veya daha yüksek frekanslarda kullanılır . Mikrodalga diyotlar, radar hız tabancaları gibi uygulamalar için düşük ila orta güçlü osilatörlerde ve uydu alıcıları için yerel osilatörlerde kullanılır . Bunlar yaygın olarak kullanılan bir mikrodalga enerjisi kaynağıdır ve milimetre dalga ve terahertz enerjisinin neredeyse tek katı hal kaynağıdır Magnetronlar gibi negatif dirençli mikrodalga vakum tüpleri , radar vericileri ve mikrodalga fırınlar gibi uygulamalarda daha yüksek güç çıktıları üretir . Daha düşük frekanslı gevşeme osilatörleri , neon lambalar gibi UJT'ler ve gaz deşarjlı lambalarla yapılabilir .

Negatif dirençli osilatör modeli, diyotlar gibi tek portlu cihazlarla sınırlı değildir, aynı zamanda transistörler ve tüpler gibi iki portlu cihazlarla geri besleme osilatör devrelerine de uygulanabilir . Ek olarak, modern yüksek frekanslı osilatörlerde, transistörler, diyotlar gibi tek portlu negatif direnç cihazları olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır. Mikrodalga frekanslarında, bir porta uygulanan belirli yüklere sahip transistörler, dahili geri besleme nedeniyle kararsız hale gelebilir ve diğer portta negatif direnç gösterebilir. Bu nedenle, yüksek frekanslı transistör osilatörleri, transistöre negatif direnç vermek için bir porta reaktif bir yük uygulayarak ve aşağıda açıklandığı gibi negatif dirençli bir osilatör yapmak için diğer portu bir rezonatöre bağlayarak tasarlanmıştır.

Gunn diyot osilatörü

Gunn diyot osilatör devresi
AC eşdeğer devre
Gunn diyot osilatör yük hatları .
DCL : Q noktasını belirleyen DC yük çizgisi.
SSL : genlik küçükken başlatma sırasında negatif direnç. Yana kutuplar TUSP olan ve salınımları artar amplitude. LSL : büyük sinyal yük hattı. Akım salınımı negatif direnç bölgesinin (yeşil) kenarlarına yaklaştığında, sinüs dalgası tepe noktaları bozulur ("kırpılır") ve eşit olana kadar azalır .

Ortak Gunn diyot osilatörü (devre şemaları) , negatif dirençli osilatörlerin nasıl çalıştığını gösterir. D diyotu voltaj kontrollü ("N" tipi) negatif dirence sahiptir ve voltaj kaynağı onu diferansiyel direncinin olduğu negatif direnç bölgesine yönlendirir . Jikle RFC önyargı kaynağından akan alternatif akım engeller. seri ayarlı devredeki sönümleme ve kayıplardan kaynaklanan eşdeğer direnç artı herhangi bir yük direncidir. AC devresini Kirchhoff'un Gerilim Yasası ile analiz etmek , AC akımı için diferansiyel bir denklem verir.

Bu denklemi çözmek, formun bir çözümünü verir

    nerede    

Bu, devreden geçen akımın, , DC Q noktası , hakkında zamanla değiştiğini gösterir . Sıfır olmayan bir başlangıç akımı başlatıldı zaman mevcut salınır sinüzoidal de rezonans frekansı co genlik ya sabiti ile ayarlı devrenin, artan veya azalan katlanarak değerine bağlı olarak, a . Devrenin kararlı salınımları sürdürüp sürdüremeyeceği ve arasındaki dengeye bağlıdır , devredeki pozitif ve negatif direnç:

  1. Sinüzoid azalan Q=10.svg
    : ( kutuplar sol yarım düzlemde) Diyotun negatif direnci, ayarlı devrenin pozitif direncinden küçükse, sönüm pozitiftir. Devredeki herhangi bir salınım, dirençte ısı olarak enerji kaybeder ve sıradan bir ayarlı devrede olduğu gibi katlanarak sıfıra düşer. Yani devre salınım yapmaz.
  2. Sinüsoid sabit genlik.svg
    : ( eksenindeki kutuplar ) Pozitif ve negatif dirençler eşitse net direnç sıfırdır, yani sönüm sıfırdır. Diyot, ayarlanmış devrede ve yükte kaybolan enerjiyi telafi etmeye yetecek kadar enerji ekler, böylece devredeki salınımlar bir kez başlatıldığında sabit bir genlikte devam eder. Bu, osilatörün kararlı durumda çalışması sırasındaki durumdur.
  3. Sinüzoid artan Q=10.svg
    : (sağ yarı düzlemde kutuplar) Negatif direnç pozitif dirençten büyükse, sönümleme negatiftir, bu nedenle salınımlar enerji ve genlik açısından katlanarak büyüyecektir. Bu, başlatma sırasındaki durumdur.

Pratik osilatörler, salınımları başlatmak için net negatif dirençle yukarıdaki (3) bölgesinde tasarlanmıştır. Yaygın olarak kullanılan bir başparmak kuralı yapmaktır . Güç açıldığında , devredeki elektrik gürültüsü , katlanarak büyüyen kendiliğinden salınımları başlatmak için bir sinyal sağlar . Ancak salınımlar sonsuza kadar büyüyemez; diyotun doğrusal olmayışı sonunda genliği sınırlar.

Büyük genliklerde devre doğrusal değildir, bu nedenle yukarıdaki doğrusal analiz kesin olarak uygulanmaz ve diferansiyel direnç tanımsızdır; ancak devre , döngü üzerindeki "ortalama" direnç olarak kabul edilerek anlaşılabilir . Sinüs dalgasının genliği, negatif direnç bölgesinin genişliğini aştığında ve voltaj salınımı, eğrinin pozitif diferansiyel dirençli bölgelerine uzandığında, ortalama negatif diferansiyel direnç küçülür ve böylece toplam direnç ve sönüm daha az negatif olur ve sonunda pozitife döner. Bu nedenle salınımlar, sönümün sıfır olduğu genlikte, yani .

Gunn diyotları -5 ila -25 ohm aralığında negatif dirence sahiptir. yakın olduğu osilatörlerde ; sadece osilatörün başlamasına izin verecek kadar küçükse, voltaj salınımı çoğunlukla I-V eğrisinin lineer kısmı ile sınırlı olacak, çıkış dalga formu neredeyse sinüzoidal olacak ve frekans en kararlı olacaktır. Çok aşağıda olduğu devrelerde , salınım eğrinin doğrusal olmayan kısmına daha da uzanır, çıkış sinüs dalgasının kırpma distorsiyonu daha şiddetlidir ve frekans, besleme voltajına giderek daha fazla bağımlı olacaktır.

Devre türleri

Negatif dirençli osilatör devreleri, iki tip negatif diferansiyel direnç - voltaj kontrollü (VCNR) ve akım kontrollü (CCNR) ile kullanılan iki tipe ayrılabilir.

Negatif dirençli osilatör devresi VCNR.svg
  • Negatif dirençli (voltaj kontrollü) osilatör: VCNR ("N" tipi) cihazlar düşük empedans öngerilimi gerektirdiğinden ve r ' den küçük yük empedansları için kararlı olduğundan , bu cihaz için ideal osilatör devresi sağ üstte gösterilen forma sahiptir ve bir voltaj ile cihazı negatif direnç bölgesine yönlendirmek için kaynak V sapması ve paralel rezonans devre yükü LC . Rezonans devresi sadece rezonans frekansında yüksek empedansa sahiptir, bu nedenle devre kararsız olacak ve sadece o frekansta salınım yapacaktır.
Negatif dirençli osilatör devresi CCNR.svg
  • Negatif iletkenlik (akım kontrollü) osilatör: CCNR ( "S" tipi) cihazları, aksine, yüksek empedanslı bir önyargı gerektirir ve daha yüksek yük empedansları stabildir r . İdeal osilatör devre bir akım kaynağı ön gerilimi ile, sağ alt köşesinde bu gibi bir önyargı ve seri rezonans devresi (büyük bir direnç ile seri bir voltaj kaynağı meydana gelebilen) LC . Seri LC devresi, yalnızca rezonans frekansında düşük empedansa sahiptir ve bu nedenle yalnızca orada salınım yapacaktır.

Salınım koşulları

Çoğu osilatör, Gunn diyot örneğinden daha karmaşıktır, çünkü hem aktif cihaz hem de yük, hem reaktansa ( X ) hem de dirence ( R ) sahip olabilir. Modern negatif dirençli osilatörler, K. Kurokawa'ya bağlı olarak bir frekans alanı tekniği ile tasarlanmıştır . Devre şemasının, negatif direnç kısmı olan aktif cihazı pozitif direnç kısmından, rezonans devresinden ve çıkış yükünden (sağda) ayıran bir " referans düzlemi " (kırmızı) ile bölündüğü tasavvur edilir . Kompleks empedans negatif direnç bölümünün frekansı bağlıdır co ama ac salınım akım genliği ile azalan, genel olarak doğrusal olmayan bir I ; rezonatör kısmı ise sadece frekansa bağlı olarak lineerdir. Devre denklemi, yalnızca toplam empedansın sıfır olduğu frekans ω ve genlik I'de salınım yapacaktır (sıfır olmayan I 'ye sahiptir ) . Bu, negatif ve pozitif dirençlerin büyüklüğünün eşit olması ve reaktansların eşlenik olması gerektiği anlamına gelir.

Negatif dirençli osilatör blok şeması.svg
    ve    

Kararlı hal salınımı için eşittir işareti geçerlidir. Devrenin salınımların başlaması için aşırı negatif dirence sahip olması gerektiğinden, başlatma sırasında eşitsizlik geçerlidir.

Alternatif olarak, salınım koşulu yansıma katsayısı kullanılarak ifade edilebilir . Referans düzlemin voltaj dalga biçimi, bir bileşen ayrılabilir V 1 negatif direnç cihazına doğru seyahat ve bir parça V 2 rezonatör parçaya doğru, karşıt yönde hareket eden. Aktif cihazın yansıma katsayısı birden büyüktür, rezonatör kısmı ise birden küçüktür. Çalışma sırasında dalgalar bir gidiş-dönüşte ileri geri yansıtılır, böylece devre yalnızca aşağıdaki durumlarda salınır:

Yukarıdaki gibi eşitlik, sürekli salınım için koşul sağlarken, aşırı negatif direnç sağlamak için başlatma sırasında eşitsizlik gereklidir. Yukarıdaki koşullar, geri besleme osilatörleri için Barkhausen kriterine benzer ; gerekli ama yeterli değiller, bu yüzden denklemleri sağlayan ancak salınım yapmayan bazı devreler var. Kurokawa ayrıca, bunun yerine sıklıkla kullanılan daha karmaşık yeterli koşulları da türetmiştir.

amplifikatörler

Gunn ve IMPATT diyotları gibi negatif diferansiyel direnç cihazları da özellikle mikrodalga frekanslarında amplifikatör yapmak için kullanılır , ancak osilatörler kadar yaygın değildir. Negatif dirençli cihazların sadece bir portu (iki terminali) olduğundan, transistörler gibi iki portlu cihazlardan farklı olarak , giden güçlendirilmiş sinyal, gelen sinyalin girdiği gibi cihazı aynı terminallerden terk etmelidir. İki sinyali ayırmanın bir yolu olmadan, bir negatif direnç yükselticisi iki taraflıdır ; her iki yönde de yükseltir, bu nedenle yük empedansı ve geri besleme sorunlarına karşı hassasiyetten muzdariptir. Giriş ve çıkış sinyallerini ayırmak için birçok negatif direnç amplifikatörü , izolatörler ve yönlü kuplörler gibi karşılıklı olmayan cihazlar kullanır .

yansıma yükseltici

yansıma yükselticinin AC eşdeğer devresi
İki kademeli tünel diyot yansıma amplifikatöründen oluşan 8–12 GHz mikrodalga amplifikatör

Yaygın olarak kullanılan bir devre, ayırma işleminin bir sirkülatör tarafından gerçekleştirildiği yansıma yükselticisidir . Bir sirkülatör, bir bağlantı noktasına uygulanan bir sinyali diğerine yalnızca bir yönde, bağlantı noktası 1'den bağlantı noktası 2'ye, 2 ila 3 ve 3 ila 1 arasında aktaran üç bağlantı noktasına (konektörlere) sahip , karşılıklı olmayan bir katı hal bileşenidir. giriş sinyalinin bağlantı noktası 1'e uygulandığını, önyargılı bir VCNR negatif dirençli diyot N'nin bir filtre F aracılığıyla bağlantı noktası 2'ye bağlandığını ve çıkış devresinin bağlantı noktası 3'e bağlandığını ve giriş sinyali bağlantı noktası 1'den bağlantı noktasındaki diyota iletildiğini gösterir. 2, ancak diyottan giden "yansıtılmış" yükseltilmiş sinyal port 3'e yönlendirilir, bu nedenle çıkıştan girişe çok az bağlantı vardır. Giriş ve çıkış iletim hatlarının karakteristik empedansı , genellikle 50Ω, sirkülatörün port empedansı ile eşleştirilir. F filtresinin amacı , kazancı ayarlamak için diyota doğru empedansı sunmaktır. Radyo frekanslarında NR diyotları saf dirençli yükler değildir ve reaktansa sahiptir, bu nedenle filtrenin ikinci bir amacı, duran dalgaları önlemek için diyot reaktansını bir konjugat reaktansı ile iptal etmektir.

Filtre sadece reaktif bileşenlere sahiptir ve bu nedenle kendisi herhangi bir gücü emmez, bu nedenle diyot ve portlar arasında kayıpsız güç iletilir. Diyoda giriş sinyali gücü

Diyottan çıkış gücü

Yani amplifikatörün güç kazancı yansıma katsayısının karesidir.

−r diyotunun negatif direncidir . Filtrenin diyot ile eşleştiğini varsayarsak kazanç

Yukarıdaki VCNR yansıma yükselticisi . bir CCNR amplifikatörü ise . Yansıma kuvvetlendiricisinin , salınım noktasına yaklaştıkça sonsuza yaklaşarak sınırsız kazanıma sahip olabileceği görülebilir . Bu, genellikle sınırlı kazanıma sahip olan ancak çoğu zaman koşulsuz olarak kararlı olan iki bağlantı noktalı amplifikatörlerin davranışının aksine, tüm NR amplifikatörlerinin bir özelliğidir. Pratikte kazanç, sirkülatör portları arasındaki geriye doğru "sızıntı" bağlantısı ile sınırlıdır.

Maser'ler ve parametrik yükselteçler , yansıma yükselteçleri olarak da uygulanan son derece düşük gürültülü NR yükselticileridir; radyo teleskopları gibi uygulamalarda kullanılırlar .

Anahtarlama devreleri

Negatif diferansiyel direnç cihazları , cihazın lineer olmayan bir şekilde çalıştığı, bir durumdan diğerine histerezis ile aniden değiştiği anahtarlama devrelerinde de kullanılır . Negatif direnç cihazı kullanmanın avantajı, bir gevşeme osilatörü , flip-flop veya bellek hücresinin tek bir aktif cihazla oluşturulabilmesidir, oysa bu işlevler için standart mantık devresi olan Eccles-Jordan multivibratör , iki aktif cihaz (transistör) gerektirir. ). Negatif dirençlerle oluşturulmuş üç anahtarlama devresi

Diğer uygulamalar

nöronal modeller

Bazı nöron örnekleri, voltaj-kelepçe deneylerinde negatif eğimli iletkenlik (RNSC) bölgeleri gösterir. Buradaki negatif direnç, nöronu tipik bir Hodgkin-Huxley tarzı devre modeli olarak kabul etmekti .

Tarih

Negatif direnç ilk olarak 19. yüzyılda aydınlatma için kullanılan elektrik arklarının araştırılması sırasında fark edildi. 1881'de Alfred Niaudet, ark akımı arttıkça ark elektrotları arasındaki voltajın geçici olarak azaldığını gözlemledi, ancak birçok araştırmacı bunun sıcaklıktan kaynaklanan ikincil bir etki olduğunu düşündü. Bazıları tarafından bu etki için "negatif direnç" terimi kullanıldı, ancak terim tartışmalıydı çünkü pasif bir cihazın direncinin negatif olamayacağı biliniyordu. 1895'ten başlayarak Hertha Ayrton , kocası William'ın araştırmasını yayların I-V eğrisini ölçen bir dizi titiz deneyle genişleterek , eğrinin negatif eğimli bölgelere sahip olduğunu belirleyerek tartışmaları ateşledi. Frith ve Rodgers 1896'da Ayrton'ların desteğiyle diferansiyel direnç, dv/di kavramını ortaya attılar ve arkların negatif diferansiyel dirence sahip olduğu yavaş yavaş kabul edildi. Araştırması nedeniyle Hertha Ayrton , Elektrik Mühendisleri Enstitüsü'ne kabul için oy kullanan ilk kadın oldu .

Ark vericileri

George Francis FitzGerald ilk olarak 1892'de bir rezonans devresindeki sönümleme direnci sıfır veya negatif yapılabilirse, sürekli salınımlar üreteceğini fark etti. Aynı yıl Elihu Thomson , bir ark elektrotlarına bir LC devresi bağlayarak bir negatif dirençli osilatör yaptı , belki de bir elektronik osilatörün ilk örneği. Ayrton'un Londra Merkez Teknik Koleji'nde öğrencisi olan William Duddell , Thomson'ın ark osilatörünü kamuoyunun dikkatine sundu. Negatif direnci nedeniyle, bir arktan geçen akım kararsızdı ve ark ışıkları genellikle tıslama, uğultu ve hatta uluma sesleri üretti. 1899'da bu etkiyi araştıran Duddell , bir ark boyunca bir LC devresi bağladı ve ayarlı devredeki negatif direnç uyarılmış salınımlar, arktan müzikal bir ton üretti. Duddell icadını göstermek için birkaç ayarlı devreyi bir yaya bağladı ve üzerinde bir melodi çaldı. Duddell'in " şarkı söyleyen ark " osilatörü, ses frekanslarıyla sınırlıydı. Bununla birlikte, 1903'te Danimarkalı mühendisler Valdemar Poulsen ve PO Pederson , 1920'lere kadar yaygın olarak kullanılan Poulsen ark radyo vericisini icat ederek, arkı bir manyetik alanda bir hidrojen atmosferinde çalıştırarak radyo aralığına frekansı artırdı .

Vakum tüpleri

20. yüzyılın başlarında, negatif direncin fiziksel nedenleri anlaşılmamış olsa da, mühendisler salınımlar oluşturabileceğini biliyorlardı ve bunu uygulamaya başladılar. 1907'de Heinrich Barkhausen , osilatörlerin negatif dirence sahip olması gerektiğini gösterdi. Ernst Ruhmer ve Adolf Pieper, cıva buharlı lambaların salınımlar üretebileceğini keşfettiler ve 1912'de AT&T bunları telefon hatları için yükseltici tekrarlayıcılar oluşturmak için kullanmıştı .

1918'de Albert Gövde GE keşfettik vakum tüpleri bağlı olarak adlandırılan olgu, kendi çalışma aralıkları kısımlarında negatif direnç olabilir ikincil emisyon . Bir vakum tüpünde, elektronlar plaka elektrotuna çarptığında , yüzeyden tüpün içine ek elektronları vurabilirler. Bu , plaka akımını azaltan plakadan uzaktaki bir akımı temsil eder . Belirli koşullar altında plaka voltajının artması plaka akımında bir azalmaya neden olur . Hull, tüpe bir LC devresi bağlayarak bir osilatör, dynatron osilatörü yarattı . Bunu, 1920'de Hull tarafından icat edilen magnetron gibi diğer negatif dirençli tüp osilatörleri izledi .

Negatif empedans dönüştürücü, 1920'lerde Marius Latour'un çalışmasından kaynaklandı. Ayrıca, negatif kapasitans ve endüktansı ilk bildirenlerden biriydi. On yıl sonra, vakum tüplü NIC telefon hattı olarak geliştirildi tekrarlayıcı de Bell Labs kıtalararası telefon hizmeti mümkün kılan George Crisson ve diğerleri tarafından,. 1953 yılında Linvill'in öncülük ettiği Transistör NIC'ler, NIC'lere olan ilgide büyük bir artış başlatmış ve birçok yeni devre ve uygulama geliştirmiştir.

Katı hal cihazları

Yarı iletkenlerde negatif diferansiyel direnç, William Henry Eccles ve GW Pickard gibi araştırmacılar tarafından kedi bıyık dedektörleri olarak adlandırılan ilk nokta temaslı bağlantı diyotlarında 1909 civarında gözlemlendi . Bağlantılar, radyo dedektörleri olarak hassasiyetlerini artırmak için bir DC voltajıyla önyargılı olduklarında, bazen kendiliğinden salınımlara girdiklerini fark ettiler. Ancak etkisi takip edilmedi.

Negatif direnç diyotlarından pratik olarak yararlanan ilk kişi , 1922'de taraflı çinkoit ( çinko oksit ) nokta temas bağlantılarında negatif diferansiyel direnci keşfeden Rus radyo araştırmacısı Oleg Losev'di . Bunları , transistörün icadından 25 yıl önce, katı hal yükselteçleri , osilatörler ve yükseltici ve yenileyici radyo alıcıları oluşturmak için kullandı. Daha sonra bir süperheterodin alıcısı bile yaptı . Ancak vakum tüp teknolojisinin başarısı nedeniyle başarıları göz ardı edildi . On yıl sonra bu teknolojiyle ilgili araştırmayı bıraktı ( Hugo Gernsback tarafından "Crystodyne" olarak adlandırıldı ) ve unutuldu.

Yaygın olarak kullanılan ilk katı hal negatif direnç cihazı, 1957'de Japon fizikçi Leo Esaki tarafından icat edilen tünel diyotuydu . Küçük bağlantı boyutları nedeniyle vakum tüplerinden daha düşük parazit kapasitansa sahip olduklarından, diyotlar daha yüksek frekanslarda çalışabilir ve tünel diyot osilatörleri , sıradan vakum tüplü osilatörlerin aralığının üzerinde mikrodalga frekanslarında güç üretebildiğini kanıtladı . Buluşu, mikrodalga osilatörleri olarak kullanılmak üzere diğer negatif dirençli yarı iletken cihazların araştırılmasını başlattı ve IMPATT diyotu , Gunn diyotu , TRAPATT diyotu ve diğerlerinin keşfiyle sonuçlandı. 1969'da Kurokawa, negatif direnç devrelerinde kararlılık için koşullar elde etti. Şu anda negatif diferansiyel dirençli diyot osilatörleri, mikrodalga enerjisinin en yaygın kullanılan kaynaklarıdır ve son yıllarda birçok yeni negatif direnç cihazı keşfedilmiştir.

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma