Подробный разбор понятия отрицательного сопротивления уходит заметно дальше, чем можно ожидать от короткой заметки. В норме с ростом напряжения на сопротивлении растёт и ток. Отрицательное сопротивление — это ситуация, когда ток с ростом напряжения падает. Но за пределами голой формулировки у этой идеи есть несколько принципиально разных прочтений.
Участок с отрицательным наклоном на вольт-амперной характеристике. Источник изображения — hackaday.com
Отрицательное дифференциальное сопротивление
Привычный способ думать об этом — отрицательное дифференциальное сопротивление (ОДС). Не у всякого прибора связь напряжения и тока линейна, и наличие ОДС означает, что на некоторых участках вольт-амперная характеристика идёт вниз: рост одной величины уменьшает другую. Так ведут себя неоновые лампы: после зажигания увеличение тока может сопровождаться падением напряжения на разряде.
Практическое следствие из этого знакомо каждому, кто зажигал неонку или светодиод: такой прибор нельзя включать в сеть без токоограничивающего резистора. Участок с отрицательным наклоном делает рабочую точку неустойчивой, и ток лавинообразно нарастает до разрушения компонента.
Почему резистора на −100 Ом не бывает
Настоящего отрицательного сопротивления — буквального резистора на −100 Ом — не существует. По крайней мере в виде пассивного компонента. Такой элемент отдавал бы энергию в цепь вместо того, чтобы рассеивать её, а значит, требовал бы внешнего источника питания. Если это условие не считать препятствием, собрать подобное устройство довольно просто.
Классическое решение — схема на операционном усилителе с положительной обратной связью, известная как конвертор отрицательного сопротивления. Она даёт идеальное постоянное отрицательное сопротивление, но, естественно, лишь в пределах рабочего диапазона: за его границами схема выходит из линейного режима, а при неудачном стечении обстоятельств — выпускает наружу знаменитый «волшебный дым».
Где это встречается на практике
Есть ли практический смысл в буквальном отрицательном резисторе? Пожалуй, лишь в узкоспециальных случаях — например, для компенсации потерь в резонансном контуре или в аналоговых вычислительных схемах. Но базовое понимание пригодится хотя бы потому, что явление всплывает в неожиданных местах.
Первым в этом ряду стоит туннельный диод — компонент, на характеристике которого есть явный падающий участок благодаря квантовому туннелированию. Именно на нём в своё время строили генераторы и усилители, работавшие на частотах, недоступных транзисторам той эпохи. Похожее поведение демонстрируют и лямбда-диоды, собранные из пары полевых транзисторов.
Ещё одно место встречи — импульсные источники питания. Стабилизированный преобразователь со стороны входа ведёт себя как нагрузка с отрицательным дифференциальным сопротивлением: при падении входного напряжения он увеличивает потребляемый ток, чтобы удержать выходную мощность. Это известная причина неустойчивости при работе от длинных линий, и разработчикам такое поведение приходится учитывать вполне буднично.
