Într-un sistem cu feedback, tot sau parte din semnalul de ieșire, fie pozitiv, fie negativ, este trimis înapoi la intrare.

Sistemele cu feedback procesează semnale și ca atare sunt procesoare de semnal. Partea de procesare a unui sistem de feedback poate fi electrică sau electronică, variind de la circuite foarte simple până la extrem de complexe.

Circuitele analogice, simple, de control cu feedback, pot fi construite folosind componente individuale sau discrete, cum ar fi tranzistoare, rezistoare și condensatoare etc., sau prin utilizarea circuitelor integrate (IC) bazate pe microprocesoare pentru a forma sisteme digitale cu feedback, mai complexe.

Așa cum am văzut, sistemele cu buclă deschisă sunt doar cele deschise și nu se fac nici o încercare de a compensa schimbările în condițiile circuitului sau schimbările în condițiile de sarcină datorate variațiilor parametrilor circuitului, cum ar fi câștigul și stabilitatea, temperatura, variații ale tensiunii de alimentare și/sau perturbări externe. Efectele acestor variații "în buclă deschisă" pot fi eliminate sau cel puțin reduse considerabil prin introducerea feedback-ului.

Un sistem cu feedback este unul în care semnalul de ieșire este eșantionat și apoi trimis înapoi la intrare pentru a forma un semnal de eroare care comandă sistemul. În tutorialul anterior despre sisteme cu buclă închisă, am văzut că, în general, feedback-ul este alcătuit dintr-un sub-circuit care permite unei fracțiuni a semnalului de ieșire de la un sistem să modifice efectiv semnalul de intrare, astfel încât să producă un răspuns care poate diferi substanțial de răspunsul produs în absența unui astfel de feedback.

Sistemele cu feedback sunt foarte utile și utilizate pe scară largă în circuite de amplificare, oscilatoare, sisteme de control al proceselor, precum și alte tipuri de sisteme electronice. Dar pentru ca feedback-ul să fie un instrument eficient, acesta trebuie să fie controlat, deoarece un sistem necontrolat va oscila sau nu va funcționa. Modelul de bază al unui sistem de feedback este dat de:

Model de diagramă bloc a unui sistem cu feedback

Această buclă de feedback de detectare, control și acționare este conceptul principal al unui sistem de control cu feedback și există mai multe motive bune pentru care feedbackul este aplicat și utilizat în circuitele electronice:

• Caracteristicile circuitului, cum ar fi câștigul și răspunsul sistemelor, pot fi controlate cu precizie.

• Caracteristicile circuitului pot fi efectuate independent de condițiile de operare, cum ar fi variațiile tensiunii de alimentare sau de temperatură.

• Distorsiunea semnalului datorată caracterului neliniar al componentelor utilizate poate fi redusă foarte mult.

• Răspunsul în frecvență, câștigul și lățimea de bandă a unui circuit sau a unui sistem pot fi controlate ușor în limite strânse.

În timp ce există multe tipuri diferite de sisteme de control, există doar două tipuri principale de control al reacției, și anume: feedback negativ și feedback pozitiv.

Sisteme cu feedback pozitiv

Într-un "sistem de control cu feedback pozitiv", valoarea setată și valoarea de ieșire sunt adunate împreună de controler deoarece feedback-ul este "în fază" cu intrarea. Efectul feedback-ului pozitiv (sau regenerativ) este "de creștere" a câștigului sistemelor, adică câștigul global cu feedback pozitiv aplicat va fi mai mare decât câștigul fără feedback. De exemplu, dacă cineva vă laudă sau vă oferă feedback pozitiv despre ceva, vă simțiți fericiți cu voi și sunteți plini de energie, vă simțiți mai pozitivi.

Dar, în sistemele electronice și de control prea multă laudă și feedback pozitiv poate crește câștigul sistemelor prea mult, ceea ce ar da naștere la răspunsuri de circuit oscilant, deoarece crește mărimea semnalului de intrare efectiv.

Un exemplu de sistem cu feedback pozitiv ar putea fi un amplificator electronic bazat pe un amplificator operațional sau A.O. așa cum este arătat.

Controlul feedback pozitiv al AO se realizează prin aplicarea unei mici părți a semnalului de tensiune de ieșire Vout înapoi la terminalul de intrare ne-inversor (+) prin rezistorul de feedback RF.

Dacă tensiunea de intrare Vin este pozitivă, A.O. amplifică acest semnal pozitiv, iar ieșirea devine mai pozitivă. O parte din această tensiune de ieșire este returnată la intrare prin rețeaua de feedback.

Astfel, tensiunea de intrare devine mai pozitivă, determinând o tensiune de ieșire chiar mai mare și așa mai departe. În cele din urmă, ieșirea devine saturată la sursa de alimentare pozitivă.

De asemenea, dacă tensiunea de intrare Vin este negativă, se întâmplă reversul și A.O. se saturează la șina de alimentare negativă. Vedem că feedback-ul pozitiv nu permite circuitului să funcționeze ca un amplificator, deoarece tensiunea de ieșire se saturează rapid la o singură șină sau la alta, deoarece buclele de feedback pozitiv "mai mult conduce la mai mult" și "mai puțin conduce la mai puțin".

Atunci, dacă câștigul buclei este pozitiv pentru orice sistem, funcția de transfer va fi: Av = G/(1- GH). Rețineți că dacă GH = 1 câștigul sistemului Av = infinit și circuitul va începe să auto-oscileze, după care nu este necesar un semnal de intrare pentru a menține oscilațiile, ceea ce este util dacă doriți să realizați un oscilator.

Deși deseori considerat nedorit, acest comportament este utilizat în electronică pentru a obține un răspuns de comutare foarte rapid la o condiție sau semnal. Un exemplu de utilizare a feedback-ului pozitiv este histerezisul în care un sistem sau dispozitiv logic menține o anumită stare până când unele intrări depășesc un prag prestabilit. Acest tip de comportament se numește "bi-stabilitate" și este adesea asociat cu porți logice și dispozitive de comutare digitală, cum ar fi multivibratoarele.

Am văzut că feedback-ul pozitiv sau regenerativ mărește câștigul și posibilitatea de instabilitate într-un sistem care poate duce la auto-oscilație și, ca atare, feedback-ul pozitiv este folosit pe scară largă în circuite oscilante, cum ar fi oscilatoarele și circuitele de sincronizare.

Sisteme cu feedback negativ

Într-un "sistem de control cu feedback negativ", valoarea punctului de referință și valoarea de ieșire sunt scăzute una din cealaltă deoarece feedback-ul este "defazat" cu intrarea inițială. Efectul feedback-ului negativ (sau degenerativ) este acela de a "reduce" câștigul. De exemplu, dacă cineva vă critică sau vă oferă feedback negativ despre ceva, vă simțiți nemulțumiți de voi și, prin urmare, lipsiți de energie vă simțiți mai puțin pozitivi.

Deoarece feedback-ul negativ produce răspunsuri de circuit stabile, îmbunătățește stabilitatea și mărește lățimea de bandă de operare a unui sistem dat, majoritatea sistemelor de control și cu feedback sunt degenerative, reducând efectele câștigului.

Un exemplu de sistem de feedback negativ este un amplificator electronic bazat pe un A.O. așa cum este arătat.

Controlul cu feedback negativ al amplificatorului este realizat prin aplicarea unei mici părți a semnalului de tensiune de ieșire la Vout înapoi la terminalul de intrare inversor (-) prin intermediul rezistorului de reacție RF.

Dacă tensiunea de intrare Vin este pozitivă, A.O. amplifică acest semnal pozitiv, dar deoarece este conectat la intrarea inversoare a amplificatorului, și ieșirea devine mai negativă. O parte din această tensiune de ieșire este returnată la intrare prin rețeaua de feedback RF.

Astfel, tensiunea de intrare este redusă de semnalul de reacție negativă, determinând o tensiune de ieșire chiar mai mică și așa mai departe. În cele din urmă, ieșirea se va stabiliza la o valoare determinată de raportul de câștig RF ÷ Rin.

De asemenea, dacă tensiunea de intrare Vin este negativă, se produce reversul și ieșirea A.O. devine pozitivă (invers) care adaugă semnalul de intrare negativ. Vedem că feedback-ul negativ permite circuitului să funcționeze ca un amplificator, atâta timp cât ieșirea este în limitele de saturație.

Așadar putem vedea că tensiunea de ieșire este stabilizată și controlată de feedback, deoarece cu bucle negative de feedback "mai mult conduce la mai puțin" și "mai puțin conduce la mai mult".

Atunci, dacă câștigul buclei este pozitiv pentru orice sistem, funcția de transfer va fi: Av = G/(1+ GH).

Utilizarea feedback-ului negativ în sistemele de control al amplificatorului și a proceselor este larg răspândită deoarece, de regulă, sistemele cu feedback negativ sunt mai stabile decât sistemele cu feedback pozitiv și se spune că un sistem cu feedback negativ este stabil dacă nu oscilează singur la orice frecvență, exceptând o anumită stare de circuit.

Un alt avantaj este faptul că feedback-ul negativ face ca sistemele de control să fie mai imune la variațiile aleatorii ale valorilor și intrărilor lor. Desigur, nimic nu este gratuit, deci trebuie folosit cu prudență, deoarece feedback-ul negativ modifică în mod semnificativ caracteristicile de funcționare ale unui sistem dat.

Clasificarea sistemelor cu feedback

Până acum am văzut modul în care semnalul de ieșire este „trimis înapoi“ la terminalul de intrare, și pentru sistemele cu feedback acest lucru poate fi feedback pozitiv sau feedback negativ. Dar modul în care semnalul de ieșire este măsurat și introdus în circuitul de intrare poate fi foarte diferit, conducând la patru clasificări de bază ale feedback-ului.

Pe baza cantității de intrare amplificată și a condiției de ieșire dorite, variabilele de intrare și ieșire pot fi modelate fie ca tensiune, fie ca un curent. Ca rezultat, există patru clasificări de bază ale sistemului cu feedback cu o singură buclă în care semnalul de ieșire este trimis înapoi la intrare, și acestea sunt:

• Configurația serie-șunt - Vin și Vout sau Sursa de tensiune comandată de tensiune (VCVS).

• Configurația șunt-șunt - Iin și Vout sau Sursă de tensiune controlată de curent (CCVS).

• Configurația serie-serie - Vin și Iout sau Sursă de curent controlată în tensiune (VCCS).

• Configurația șunt-serie - Iin și Iout sau Sursă de curent controlată în curent (CCCS).

Aceste nume provin din modul în care rețeaua de feedback se conectează între etajele de intrare și de ieșire, după cum se arată.

Sisteme cu feedback serie-șunt

Feedback serie-șunt, cunoscut și sub numele de feedback de tensiune în serie, funcționează ca un sistem cu feedback controlat tensiune-tensiune. Tensiunea de eroare trimisă înapoi din rețeaua de feedback este în serie cu intrarea. Tensiunea care este trimisă înapoi de la ieșire este proporțională cu tensiunea de ieșire, Vo fiind paralelă sau conectată șunt.

Pentru conexiunea serie-șunt, configurația este definită ca tensiunea de ieșire Vout la tensiunea de intrare Vin. Cele mai multe circuite A.O. inversoare și neinversoare operează cu feedback serie-șunt producând ceea ce este cunoscut ca un "amplificator de tensiune". La un amplificator de tensiune, rezistența ideală de intrare Rin este foarte mare, iar rezistența de ieșire ideală Rout este foarte mică.

Deci, "configurația de feedback serie-șunt" funcționează ca un adevărat amplificator de tensiune, deoarece semnalul de intrare este o tensiune și semnalul de ieșire este o tensiune, astfel încât câștigul de transfer este dat de: Av = Vout÷Vin Rețineți că această cantitate este fără dimensiuni, deoarece unitățile sale sunt volți/volți.

Sisteme cu feedback șunt-serie

Feedback-ul șunt-serie, cunoscută și sub numele de feedback de curent șunt, operează ca un sistem cu feedback controlat de curent-curent. Semnalul de feedback este proporțional cu curentul de ieșire, Io care curge în sarcină. Semnalul de reacție este trimis înapoi în paralel sau șunt cu intrarea, așa cum se arată.

Pentru conexiunea șunt-serie, configurația este definită ca curent de ieșire Iout la curentul de intrare Iin. În configurația de feedback șunt-serie, semnalul trimis înapoi este în paralel cu semnalul de intrare și ca atare curenții și nu tensiunile se adună.

Această conexiune de feedback paralelă (șunt) nu va afecta în mod normal câștigul de tensiune al sistemului, deoarece pentru o ieșire de tensiune este necesară o intrare de tensiune. De asemenea, conexiunea serie la ieșire mărește rezistența de ieșire Rout în timp ce conexiunea șunt la intrare scade rezistența de intrare Rin.

Deci, "configurația feedback șunt-serie" funcționează ca un adevărat amplificator de curent, deoarece semnalul de intrare este un curent și semnalul de ieșire este un curent, deci câștigul de transfer este dat de: Ai = Iout ÷ Iin. Rețineți că această cantitate este fără dimensiuni, deoarece unitățile sale sunt amperi/amperi.

Sisteme cu feedback serie-serie

Sistemele cu feedback serie-serie, cunoscute și sub numele de feedback de curent serie, operează ca un sistem cu feedback controlat tensiune-curent. În configurația de curent serie, semnalul de eroare de feedback este în serie cu intrarea și este proporțional cu curentul de sarcină, Iout. De fapt, acest tip de feedback convertește semnalul curent într-o tensiune care este de fapt trimisă înapoi și este tensiunea care este scăzută din intrare.

Pentru conexiunea serie-serie, configurația este definită ca curent de ieșire Iout la tensiunea de intrare Vin. Deoarece curentul de ieșire Iout al conexiunii serie este trimis înapoi ca o tensiune, aceasta crește impedanțele de intrare cât și de ieșire ale sistemului. Prin urmare, circuitul funcționează cel mai bine ca un amplificator de transconductanță cu rezistența de intrare ideală Rin fiind foarte mare și rezistența la ieșire ideală Rout este, de asemenea, foarte mare.

Deci "configurația de feedback serie- serie" funcționează ca sistem de amplificare de tip transconductanță, deoarece semnalul de intrare este o tensiune și semnalul de ieșire este un curent. Pentru un circuit feedback serie-serie, câștigul de transfer este dat de: Gm = Iout ÷ Vin.

Sisteme cu feedback șunt-șunt

Sistemele cu feedback șunt-șunt, cunoscute și ca feedback de tensiune șunt, funcționează ca un sistem cu feedback controlat de curent-tensiune. În configurația de feedback șunt-șunt semnalul trimis înapoi este în paralel cu semnalul de intrare. Tensiunea de ieșire este detectată și curentul este scăzut din curentul de intrare în șunt și, ca atare, curenții, nu tensiunile se scad.

Pentru conexiunea șunt-șunt, configurația este definită ca tensiunea de ieșire Vout la curentul de intrare Iin. Pe măsură ce tensiunea de ieșire este alimentată ca curent către un port de intrare cu curent, conexiunile șuntului atât la bornele de intrare cât și la ieșire reduc impedanța de intrare și ieșire. prin urmare, sistemul funcționează cel mai bine ca un sistem de transversiune cu rezistența ideală la intrare, Rin fiind foarte mic și rezistența la ieșire ideală, Rout fiind, de asemenea, foarte mic.

Deci, configurația tensiunii șunt funcționează ca un amplificator de tensiune de tip transrezistiv, deoarece semnalul de intrare este un curent și semnalul de ieșire este o tensiune, astfel încât câștigul de transfer este dat de: Rm = Vout÷ Iin.

Rezumat Sisteme cu feedback

Am văzut că un sistem cu feedback este unul în care semnalul de ieșire este eșantionat și apoi trimis înapoi la intrare pentru a forma un semnal de eroare care comandă sistemul și, în funcție de tipul de feedback utilizat, semnalul de reacție care este amestecat cu semnalul de intrare al sistemului, poate fi o tensiune, sau un curent.

Feedback-ul va schimba întotdeauna performanța unui sistem, iar aranjamentele de feedback pot fi sisteme cu feedback pozitiv (regenerative), fie negativ (degenerative).

Dacă bucla de feedback din jurul sistemului generează un câștig de buclă care este negativ, feedback-ul este declarat negativ sau degenerativ, cu efectul principal al feedback-ului negativ este reducerea de câștig al sistemului.

Dacă, totuși, câștigul în jurul buclei este pozitiv, se spune că sistemul are feedback pozitiv sau regenerativ. Efectul feedback-ului pozitiv este creșterea câștigului care poate determina un sistem să devină instabil și să oscileze mai ales dacă GH = -1.

De asemenea, am văzut că diagramele-bloc pot fi folosite pentru a demonstra diferitele tipuri de sisteme de feedback. În diagramele bloc de mai sus, variabilele de intrare și ieșire pot fi modelate fie ca tensiune, fie ca un curent și ca atare există patru combinații de intrări și ieșiri care reprezintă tipurile de feedback posibile, și anume: Feedback tensiune serie, Feedback tensiune șunt, Feedback curent serie și Feedback curent-șunt.

Numele acestor tipuri diferite de sisteme de feedback provin din modul în care rețeaua de feedback se conectează între etajele de intrare și ieșire fie în paralel (șunt), fie în serie.

În următorul tutorial despre sistemele de feedback , vom analiza efectele feedback-ului negativ asupra unui sistem și vom vedea cum poate fi folosit pentru a îmbunătăți stabilitatea sistemelor de control.