电路创意/创建具有负微分电阻的电路

为什么电流增加时电压会降低？

通常情况下，负微分电阻指的是在电路中，电压增加时电流反而减小的现象。

确实如此... 但这个说法背后的物理意义是什么？这种魔法是如何运作的？它是否有用，值得追求吗？如果有，我们能用它来做什么？让我们以人类的思维去理解它，并用通俗易懂的语言解释它，而不是使用毫无意义的口头禅。

基本理念

负电阻的目的是做与“正”电阻相反的事情，即增加而不是消耗能量。真正的负电阻通过从它们自己的内置电源中串联增加电压或并联增加电流来实现这一点。但是，当电阻没有内置电源时，它如何做到这一点呢？它唯一拥有的就是电阻，而电阻会消耗能量。

但是等等，它可以降低电阻，从而增加外部电源提供的能量！因此，我们从生活中知道的普遍理念是，先做一些不好的事情，然后开始减少它，创造一种我们在做好事的感觉。在这种情况下，负微分电阻（NDR）具有初始电阻，这会导致电压降（“坏事”）。但随着电流增加，它的电阻开始减小，从而产生了一种感觉，即它正在增加能量（“好事”）。简而言之，NDR 就像一个动态电阻。

以这种方式工作的 NDR 称为“S 型”或“电流驱动”，而相反的 NDR（隧道二极管、Lambda 二极管等）称为“N 型”或“电压驱动”。

现在，让我们通过逐步的 CircuitLab 实验来详细探讨这种现象，首先使用“正”电阻，然后使用 S 型 NDR。

I = 1 mA，V = 1 V，R = 1 kΩ

1 mA 通过 1 kΩ 的正电阻

模拟此电路 – 使用 CircuitLab 创建的电路图

I = 1.5 mA，V = 1.5 V，R = 1 kΩ

1.5 mA 通过 1 kΩ 的正电阻

模拟此电路

I = 2 mA，V = 2 V，R = 1 kΩ

2 mA 通过 1 kΩ 的正电阻

模拟此电路

1 kΩ 正电阻的行为符合我们的直觉，并得到了欧姆定律的科学证实。我们可以从图形中看到，当我们增加通过电阻的电流时，它两端的电压成比例地增加，并且电阻没有改变（R 是静态的）。电阻的 IV 曲线没有移动。

电流供电的欧姆电路的 V = I.R 图形

负微分电阻

概念性电路

为了准确理解 NDR 是如何实现这种魔法的，让我们用可变电阻 R 来模拟它。

I = 1 mA，V = 2 V，R = 2 kΩ：它的初始（静态）电阻为 2 kΩ，但在这种静态状态下，我们无法确定 NDR 的大小。

1 mA 通过 2 kΩ 的动态正电阻

模拟此电路

I = 1.5 mA，V = 1.5 V，R = 1 kΩ：当电流上升到 500 mA 时，诀窍是我们将 R 降低 1 kΩ，而电压降并没有上升，而是下降了。

1.5 mA 通过 1 kΩ 的动态正电阻

模拟此电路

I = 2 mA，V = 1 V，R = 500 Ω：然后电流又增加了 500 mA，但我们将 R 降低了 500 Ω，电压下降得更多。

2 mA 通过 500 Ω 的动态正电阻

模拟此电路

在图形表示中，当电流增加时，电阻 IV 曲线逆时针旋转，电压下降。交点位于 -1 kΩ NDR IV 曲线（绿色）上。

具有动态电阻的电流供电欧姆电路的 V = I.R 图形

为什么电流增加时电压会降低

这种神秘现象的解释（教科书里从来没有出现过）非常简单

基本上，欧姆定律是一个变量（输入量）的函数 - Vout = Iin.R。因此，当我们增加输入电流 Iin 时，输出电压 Vout 会随着系数 R（常数）成比例地增加。如果我们开始同时改变电阻和电流，欧姆定律就会变成两个变量（输入量）的函数 - Vout = Iin.Rin。根据 R 的变化率，我们有以下几种情况

• 首先，如果我们降低电阻的变化率小于电流增加的变化率，那么电压会增加，但增加幅度会更小，我们会产生一种电阻降低的错觉。一个例子是质量较差的齐纳二极管。
• 然后，如果我们降低电阻的变化率等于电流的变化率，电压根本不会改变，我们会产生一种电阻为零的错觉。一个例子是完美的齐纳二极管。
• 最后，当我们降低电阻的变化率大于电流的变化率时，电压开始朝相反的方向改变，我们会认为它是一种负电阻。一个例子是氖灯。