電路創意/建立具有負微分電阻的電路

為什麼電流增加時電壓會降低？

通常情況下，負微分電阻指的是在電路中，電壓增加時電流反而減小的現象。

確實如此... 但這個說法背後的物理意義是什麼？這種魔法是如何運作的？它是否有用，值得追求嗎？如果有，我們能用它來做什麼？讓我們以人類的思維去理解它，並用通俗易懂的語言解釋它，而不是使用毫無意義的口頭禪。

基本理念

負電阻的目的是做與“正”電阻相反的事情，即增加而不是消耗能量。真正的負電阻透過從它們自己的內建電源中串聯增加電壓或並聯增加電流來實現這一點。但是，當電阻沒有內建電源時，它如何做到這一點呢？它唯一擁有的就是電阻，而電阻會消耗能量。

但是等等，它可以降低電阻，從而增加外部電源提供的能量！因此，我們從生活中知道的普遍理念是，先做一些不好的事情，然後開始減少它，創造一種我們在做好事的感覺。在這種情況下，負微分電阻（NDR）具有初始電阻，這會導致電壓降（“壞事”）。但隨著電流增加，它的電阻開始減小，從而產生了一種感覺，即它正在增加能量（“好事”）。簡而言之，NDR 就像一個動態電阻。

以這種方式工作的 NDR 稱為“S 型”或“電流驅動”，而相反的 NDR（隧道二極體、Lambda 二極體等）稱為“N 型”或“電壓驅動”。

現在，讓我們透過逐步的 CircuitLab 實驗來詳細探討這種現象，首先使用“正”電阻，然後使用 S 型 NDR。

I = 1 mA，V = 1 V，R = 1 kΩ

1 mA 透過 1 kΩ 的正電阻

模擬此電路 – 使用 CircuitLab 建立的電路圖

I = 1.5 mA，V = 1.5 V，R = 1 kΩ

1.5 mA 透過 1 kΩ 的正電阻

模擬此電路

I = 2 mA，V = 2 V，R = 1 kΩ

2 mA 透過 1 kΩ 的正電阻

模擬此電路

1 kΩ 正電阻的行為符合我們的直覺，並得到了歐姆定律的科學證實。我們可以從圖形中看到，當我們增加透過電阻的電流時，它兩端的電壓成比例地增加，並且電阻沒有改變（R 是靜態的）。電阻的 IV 曲線沒有移動。

電流供電的歐姆電路的 V = I.R 圖形

負微分電阻

概念性電路

為了準確理解 NDR 是如何實現這種魔法的，讓我們用可變電阻 R 來模擬它。

I = 1 mA，V = 2 V，R = 2 kΩ：它的初始（靜態）電阻為 2 kΩ，但在這種靜態狀態下，我們無法確定 NDR 的大小。

1 mA 透過 2 kΩ 的動態正電阻

模擬此電路

I = 1.5 mA，V = 1.5 V，R = 1 kΩ：當電流上升到 500 mA 時，訣竅是我們將 R 降低 1 kΩ，而電壓降並沒有上升，而是下降了。

1.5 mA 透過 1 kΩ 的動態正電阻

模擬此電路

I = 2 mA，V = 1 V，R = 500 Ω：然後電流又增加了 500 mA，但我們將 R 降低了 500 Ω，電壓下降得更多。

2 mA 透過 500 Ω 的動態正電阻

模擬此電路

在圖形表示中，當電流增加時，電阻 IV 曲線逆時針旋轉，電壓下降。交點位於 -1 kΩ NDR IV 曲線（綠色）上。

具有動態電阻的電流供電歐姆電路的 V = I.R 圖形

為什麼電流增加時電壓會降低

這種神秘現象的解釋（教科書裡從來沒有出現過）非常簡單

基本上，歐姆定律是一個變數（輸入量）的函式 - Vout = Iin.R。因此，當我們增加輸入電流 Iin 時，輸出電壓 Vout 會隨著係數 R（常數）成比例地增加。如果我們開始同時改變電阻和電流，歐姆定律就會變成兩個變數（輸入量）的函式 - Vout = Iin.Rin。根據 R 的變化率，我們有以下幾種情況

• 首先，如果我們降低電阻的變化率小於電流增加的變化率，那麼電壓會增加，但增加幅度會更小，我們會產生一種電阻降低的錯覺。一個例子是質量較差的齊納二極體。
• 然後，如果我們降低電阻的變化率等於電流的變化率，電壓根本不會改變，我們會產生一種電阻為零的錯覺。一個例子是完美的齊納二極體。
• 最後，當我們降低電阻的變化率大於電流的變化率時，電壓開始朝相反的方向改變，我們會認為它是一種負電阻。一個例子是氖燈。