Негативна отпорност

С Википедије, слободне енциклопедије
На слици 1а) отпорник R је преко батерије повезан са излазним напоном Е. Струја I тече колом, тако да је снага која се развија на отпорнику једнака I*E. По конвенцији је узето да струја тече од тачке на вишем потенцијалу (+) ка оној на нижем (-). Међутим иста струја тече и кроз батерију, али у супротном смеру (од - ка +). Отпорник R је потрошач снаге и важи: R=E/I. С друге стране, батерија као извор енергије изражава особину негативне отпорности: -R=-E/I.
Даље, на слици 1b) отпорник R је повезан са извором наизменичног напона. Струја I кроз отпорник је увек у фази са напоном извора Е. Међутим струја кроз генератор, која је по интензитету иста као она кроз отпорник, је за 180 степени фазно померена у односу на напон Е. IU крива генератора има негативан нагиб док је код отпорника тај нагиб позитиван.

Негативна отпорност је својство неких електронских кола да се струја кроз један порт и напон на њему мењају у супротним смеровима. Ово је у супротности са обичним омским отпорницима, код којих се струја и напон мењају у истом смеру при истим околностима. Негативни отпорници су теоријске и не постоје као дискретне компоненте. Међутим неке врсте диода могу, у једном делу свог оперативног опсега, да изражавају ово својство. Слично томе, нека халогена стакла, органски полупроводници и проводни полимери имају режим рада у којем струјно-напонска карактеристика има негативан нагиб, што је еквивалентно негативној отпорности.

Особине[уреди | уреди извор]

Граф идеалне негативне отпорности

За типични Омски отпорник, на IU дијаграму крива ће имати позитиван нагиб. Слика приказује теоријски идеалну негативну отпорност. То математички представљамо на следећи начин:

Да би се појавила негативна отпорност у колу морају бити присутне активне компоненте, које пружају извор енергије. То је зато што струја кроз негативну отпорност представља извор енергије, док струја кроз позитиван отпорник одговара утрошку енергије. На отпорнику се ствара напон који је, по Омовом закону, пропорционалан струји кроз њега. Струјно-напонска карактеристика (IU крива) идеалне негативне отпорности има негативан нагиб и пролази кроз координатни почетак (крива улази само у II и IV квадрант ако се енергија предаје колу.) Ово се моше упоредити са уређајима као што су тунелне диоде, где део IU криве са негативним нагибом не пролази кроз координатни почетак. Тунелне диоде и GUNN диоде испољавају негативну отпорност у IV квадранту IU криве. Оне су нелинеарни уређаји.

Историја[уреди | уреди извор]

У раним истраживањима уочено је да уређаји за стварање електричног лука, и неки уређаји са вакуумским цевима (као на пример динатрон) изражавају особине диференцијалне негативне отпорности. Практични и економични уређаји су доступни само са SSD технологијом. Типичан представник кола са негативном импендансом - конвертор негативне импедансе - је дело Џон Г Линвила (1953), а за врло популаран елемент са негативним диференцијалним отпором-тунелску диоду-заслужан је Лео Есаки (1958).

Реализација негативне отпорности[уреди | уреди извор]

Електрични лук[уреди | уреди извор]

Електрични лук представља стабилно електрично пражњење, односно усмерено кретање електрона кроз јонизован гас. Лук се јавља између електрода и као последица тога стварају се веома високе температуре, које могу да топе већину материјала.

Електрични лук има нелинеарну струјно напонску карактеристику. Кад се једном лук јави због нпр. краткотрајног спајања две електроде, па њиховог раздвајања, већа струја резултује у смањењу напона између крајева лука. Због овог ефекта негативне отпорности потребно је у колу имати и неку позитивну импедансу, како би се одржао стабилан електрични лук. Ово својство је разлог сто су неконтролисани електрични лукови у апаратима врло штетни, јер једном покренут лук повлачи све више и више струје из извора фиксног напајања, све док апарат не буде уништен.

Диоде[уреди | уреди извор]

Облик IU криве код тунел и Ган диоде (лево), и већине осталих диода које дају негативну отпорност (десно). Између тачака је област негативне отпорности

Тунелска диода представља PN спој у коме су P и N области допиране високом концентрацијом примеса. Из услова јаког допирања закључујемо да се Фермијев ниво налази у проводној зони N области и валентној зони P области, што значи да је концентрација електрона и шупљина у тим деловима диоде врло висока, и да је осиромашени слој који раздваја N и P области веома узак (< 10 nm). То има за последицу да су електрони који се налазе на дну проводне зоне N области енергетски изједначени са шупљинама у валентној зони P области. Друга последица је то да је ширина простора између N и P области упоредива са таласном дужином електрона, због чега електрони тунелују кроз баријеру осиромашеног слоја. Без поларизације, диода се налази у термичкој равнотежи. Када се диода директно поларише, електрони се крећу из N у P област због чега струја кроз диоду расте са напоном. Међутим, уколико директна поларизација настави да се повећава, при одређеном напону струја почиње да опада, јер се смањује енергетско преклапање проводне зоне у N области и валентне зоне у P области. Када енергетско преклапање зона потпуно ишчезне, тунелска струја је једнака нули, а кроз компоненту тече нормална диодна струја. Њу чине електрони (и шупљине) који су енергетски способни да иду изнад баријере осиромашеног слоја. Све ово објашњава N облик IU криве тунелске диоде.

GUNN диода, позната као и енгл. Transferred electronic device (TED), је тип диоде која се користи у високо-фреквентној електроници. Необично је то да се састоји само из N-допираног полупроводичког материјала. У њој разликујемо три региона: две јако допиране N области, између којих је танки, слабо допирани слој. Кад се диода излози напону, јачина електричног поља ће бити највећа у средњем слоју. Потећи ће струја која ће бити сразмерна примењеном напону. На крају, за велике вредности електричног поља, особине средњег слоја ће бити измењене- повечаће се његова отпорност, и смањити градијент поља у њему, што спречава даље провођење, па струја почиње да опада. У пракси то представља регион негативне диференцијалне отпорности. Као и тунел диода и ова врста диоде има IU карактеристику N-облика.

Операциони појачавачи[уреди | уреди извор]

Конвертор негативне импедансе

На слици је приказана реализација конвертора негативне импедансе, уз кориштење операционог појачавача. Два отпорника R1 и операциони појачавач чине негативну повратну спрегу неинвертујућег појачања А=2. У случају да је Z=R, улазна отпорност (уз претпоставку да је операциони појачавач идеалан) је дата:

Ово коло спојено у некој другој мрежи може служити као “негативни отпорник”.

Генерално, импедансу Z можемо подесити тако да коло представља “негативни индуктивитет” или “негативни капацитет”.

Осцилатори[уреди | уреди извор]

Сви осцилатори са негативном повратном спрегом могу да испољавају особине негативне отпорности, што може бити утврђено прекидањем негативне повратне спреге и испитивањем улазне импедансе. Таквих је много, укључујући Динатрон осцилатор, Колпитов, Хартлијев осцилатор, Виенов мост-осцилатор, и неке врсте релаксационих осцилатора.

Практична примена[уреди | уреди извор]

Појачавачи[уреди | уреди извор]

Појачавач са циркулатором и негативном отпорношћу.

Уређаји који испољавају негативну отпорност могу се користити за појачање сигнала, и то је веома корисна техника кад су у питању микроталане фреквенције. Такви уређаји се не понашају као чисте негативне отпорности (код тунелске диоде присутна је велика паралелна капацитивност) и неопходан је одређени филтер. Реактивна компонента еквивалентног кола тог уређаја може бити одстрањена филтром пропусником опсега учесталости. Излаз из овог склопа се доводи на један од три краја циркулатора. Друга два краја представљају улаз и излаз појачавача са смером циркулације приказаним на слици.

Ако узмемо да је R0 > 0 коефицијенти рефлексије на два краја из филтара су дати формулама:

и,

Посто филтар нема отпорних елемената, нема ни губитака, па интензитети ових коефицијената морају бити исти:

Снага која улази у циркулатор усмерена је на филтер, рефлектована је на његов улаз, па на излаз, након чега један њен део коначно долази до потрошача. Овај дио је:

За добро одабран филтар, коефицијенти рефлексије су веома мали у пропусном опсегу, па врло мало снаге дође до потрошача.

С друге стране ако је R0 < 0, тј :

следи да је:

и,

Сад су коефицијенти јако велики па до потрошача долази снага већа од оне која је унета у овај склоп. Дакле, крајњи резултат спајања једног краја циркулатора са негативном отпорношћу је појачање између преостала два краја.

Динатрон[уреди | уреди извор]

Динатрон са вакуумским цевима изумео је Алберт Хал (1918). Састоји се из три електроде: термичке катоде, шупље (избушене) аноде и допунске аноде или плоче, а његова IU крива има регион у ком се излажу својства негативне отпорности. Заправо, напон допунске аноде је нижи позитивни напон него напон избушене аноде. Секундарна емисија електрона са допунске аноде чини да се динатрон понаша као негативан отпорник, и због тога је погодан за генерисање осцилација у широком опсегу фреквенција. Поред овога може да служи и као појачавач.

Миксери и конвертори фреквенције[уреди | уреди извор]

Високонелинеарна карактеристика тунел диода чини их корисним у изградњи уређаја за мешање фреквенција, који на основу два сигнала са одређеним фреквенцијама дају сигнал неке нове фреквенције.

Поништавање импедансе[уреди | уреди извор]

Нагативна отпорност се може користити за поништавање позитивне импедансе, код на пример напонског или струјног извора. У напонском извору елиминише се унутрашња отпорност, док у струјном извору унутрашњу отпорност чини бесконачно великом. Ова техника се користи у телефонији, и у колима као што су Ховландово коло са струјним извором и Дебујов интегратор.

Литература[уреди | уреди извор]

  • Negatron yields real natural frequency, Aleksandr Belousov, USA, EDN, 08/1993 (practical application of the equivalent Negatron circuit related to Instrumentation and Measurement knowledge domain)
  • E.W. Herold, "Negative Resistance and Devices for Obtaining It," Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Volume 23, Number 10, October 1935.