Ранее я уже рассказывал о понятии дифференциального сопротивления "Дифференциальное сопротивление. Почти без формул, но с картинками" и о том, какое влияние оно оказывает на работу стабилитронов "Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост". Однако, в статье "Феррорезонансный стабилизатор", при описании триггерного эффекта, я упомянул о сопротивлении отрицательном.
Раз понятие дифференциального сопротивления потребовало отдельного пояснения, то стоит немного подробнее рассказать и об отрицательном, а точнее, отрицательном дифференциальном сопротивлении.
Сопротивление положительное
Да, начать придется с классического сопротивления. Всем известен закон Ома, который устанавливает связь между током, напряжением и сопротивлением
R=U/I
Из этого закона следует однозначная зависимость - при увеличении приложенного к участку цепи напряжения увеличивается и ток протекающий через этот участок. При этом сопротивление участка цепи не обязано быть линейным.
Вспомните ВАХ (вольт-амперную характеристику) p-n перехода (например, диода) при прямом смещении. Она нелинейная, но характер зависимости тока он напряжения (и наоборот) сохраняется, увеличение напряжения влечет за собой увеличение тока. А увеличение тока влечет за собой увеличение падения напряжения.
Однако выяснилось, что такая прямая зависимость иногда нарушается.
Электрический разряд в газах
Такое нарушение прямой (включая нелинейную) зависимости между током и напряжением лучше всего рассмотреть на примере электрического разряда в газах. При изучении этого явления было обнаружено, что при плавном увеличении тока через размещенные в трубке заполненной газом электроды, на ВАХ появляется участок, когда напряжение между электродами снижается, а не возрастает.
Обратите внимание на расположение координатных осей, мы задаем ток в цепи. Поскольку статья посвящена не разряду в газах, а отрицательному сопротивлению, я не буду рассматривать подробности физических процессов. Уделю внимание только основным моментам.
До точки А видимый разряд отсутствует, а ток между электродами вызван ионизацией газа под воздействием внешних факторов (температура, освещение, естественное ионизирующее излучение, и т.д.). Если убрать внешние факторы, например, выключить освещение, то ионизация снизится и ток уменьшится.
С ростом тока увеличивается эмиссия электронов из катода и в точке А она становится достаточной, что бы влияние внешних факторов перестало влиять на процессы в трубке. Напряжение Ua, соответствующее точке А, называется напряжением зажигания.
Между точками А и В ионизации газа резко возрастает, что соответствует уменьшению сопротивления разрядного промежутка. Но поскольку мы ограничиваем (а точнее, задаем) ток в цепи это приводит у уменьшению напряжения между электродами. Где то между точками А и В разряд становится видимым. Это тлеющий разряд.
При дальнейшем увеличении тока, начиная с точки В и до точки С, напряжение между электродами возрастает очень медленно. Зато область тлеющего разряда увеличивается.
Начиная с точки С область разряда достигает максимума, сопротивление разрядного промежутка снова начинает возрастать, что приводит к росту напряжения между электродами.
На этом мы остановимся. Но если продолжать увеличивать ток, то разряд перейдет в дуговой, а напряжение между электродами снова, и гораздо сильнее, снизится.
Нас в данном случае интересует лишь участок между точками А и В.
Отрицательное (дифференциальное) сопротивление
Давайте подробнее рассмотри участок, где росту тока соответствует снижение напряжения. При этом координатные оси разместим так, как они размещались при рассмотрении дифференциального сопротивления.
Точка 2 является точкой перегиба. Если при рассмотрении разряда в газах мы задавали ток в цепи, то в данном случае будем задавать напряжение.
Сразу бросается в глаза, что в точках 1 и 3 у нас напряжение одинаковое, а вот ток разный. То есть, есть неоднозначность в величине протекающего в цепи тока при заданном напряжении. Но об этом чуть позже.
А теперь вспомним о том, что было написано в статье о дифференциальном сопротивлении и посмотрим, каким будет дифференциальное сопротивление между точками (1 и 2), и (2 и 3). Причем для простоты начнем с аппроксимации.
Между точками 1 и 2 у нас приращение напряжения положительное и ему соответствует положительное приращение тока. Таким образом, и дифференциальное сопротивление получается положительным.
А вот между точками 2 и 3 ситуация иная. Напряжение в точке 3 меньше чем точке 2, а ток больше. Таким образом, изменение напряжения отрицательное, а изменение тока положительное. И дифференциальное сопротивление между точками 2 и 3 будет иметь отрицательный знак.
Это и есть отрицательное дифференциальное сопротивление. А участок между точками 2 и 3 называют участком с отрицательным сопротивлением.
Кстати, обратите внимание на точку 2. В этой точке касательная к кривой параллельна оси токов. То есть, для данной точки дифференциальное сопротивление равно нулю! При том, что статическое сопротивление далеко не нулевое.
Электронные приборы с участками отрицательного сопротивления на ВАХ
Явление отрицательного (дифференциального) сопротивления было изучено при изучении разряда в газах. Соответственно, газоразрядные электронные приборы (например, лампы) были первыми, для которых явление отрицательного сопротивления использовалось на практике.
Причем речь идет не о газоразрядных стабилитронах, где использовался участок ВАХ между точками В и С. Думаю всем хорошо известен релаксационный генератор на неоновой лампе.
Для работы этого генератора используется явление отрицательного сопротивления в газоразрядных приборах тлеющего разряда. Причем в данной схеме вместо неоновой лампы можно использовать и газоразрядный стабилитрон. Просто рабочим при таком использовании будет другой участок ВАХ.
Газоразрядный тиратрон позволяет изменять ВАХ с помощью изменения потенциала сетки. Это позволяет в некоторых пределах менять частоту и амплитуду напряжения релаксационного генератора при использовании тиратрона вместо неоновой лампы. Кроме того, подавая входной сигнал на сетку, можно управлять состоянием разряда в тиратроне, что позволяет использовать его в релейных схемах.
Еще один примером, но уже нежелательного, возникновения отрицательного сопротивления является динатронный эффект в электронных лампах. Для борьбы с ним использовали специальную форму электродов (лучевой тетрод) или введение дополнительных электродов (пентод).
В статье "Газоразрядные лампы и полупроводники. Различие и общность" я говорил, что полупроводниковым аналогом двухэлектродного прибора тлеющего разряда (лампы) является динистор. У них схожая форма ВАХ с участком отрицательного сопротивления. И на динисторах тоже можно собрать релаксационный генератор.
Полупроводниковым аналогом тиратрона является тиристор. Только изменение ВАХ там достигается изменением тока управляющего электрода.
Еще одним примером полупроводникового прибора использующего в своей работе отрицательное сопротивление является туннельный диод. Но его ВАХ имеет другой вид
Рабочим участком ВАХ является участок с отрицательным сопротивлением. При этом туннельные диоды работают при малых напряжениях, менее 1 В. Сегодня туннельные диоды практически не применяются. Ранее их использовали и для генерации и для усиления.
Нельзя не вспомнить и однопереходные транзисторы, которые имеют ВАХ подобную тиратрону.
Сформировать на ВАХ участок с отрицательным сопротивлением можно и с использованием активных полупроводниковых приборов - транзисторов, ОУ.
Заключение
Термин отрицательное дифференциальное сопротивление является частным случаем собственно дифференциального сопротивления. При отрицательном дифференциальном сопротивлении изменения тока и напряжения на участке цепи имеют разные знаки. Причем зачастую слово дифференциальное опускают.
Явление отрицательного сопротивления используется в основном для генерации колебаний или построения схем с несколькими устойчивыми состояниями, реже, для усиления. Находит свое применение отрицательное сопротивление и для автоматического регулирования параметров в некоторых устройствах.
Явление отрицательного сопротивления может быть не только полезным, но и вредным. В этом случае применяют специальные меры, как конструкционные, так и схемотехнические, для борьбы с ним.