A visszacsatoló rendszernek számos előnye van a hagyományos rendszerekkel szemben. Segít javítani az áramkör kimeneti erősítését és növeli az áramkör lineáris válaszát. Csökkenti a főként zajjelek miatt fellépő jeltorzulások esélyét is.
A visszacsatoló rendszereket leginkább erősítő áramkörökben, kimenet alapú vezérlőrendszerekben és oszcillátor áramkörökben használják. A visszacsatoló rendszereknek két típusa van: Pozitív visszajelzés és Negatív Visszacsatolás. Ez a cikk nagy hangsúlyt fektet az utóbbi típusú visszajelzésekre.
Gyors vázlat:
- Mi az a negatív visszacsatolási rendszer az elektronikában
- Negatív visszacsatolási áramkör
- Negatív visszacsatolás átviteli funkció
- Negatív visszacsatolás a műveleti erősítőknél
- 1. példa
- 2. példa
- 3. példa
- Különbség a pozitív és a negatív visszacsatolási rendszerek között
- A negatív visszacsatolási rendszer alkalmazásai és tulajdonságai
- A negatív visszajelzés hatása a sávszélességre
- Következtetés
Mi az a negatív visszacsatolási rendszer az elektronikában
Az elektromos áramkör negatív visszacsatolása egy olyan vezérlő mechanizmus, amely stabilizálja és szabályozza az elektromos áramkör működését. Az integrált negatív visszacsatoló rendszerrel rendelkező áramkörök kimenő jelet vesznek, és a bemenetre adják fázisellenállás (invertált) jel . Ez a visszacsatoló rendszer csökkenti a kimeneti jelek esetleges eltéréseit vagy hibáit.
A negatív visszajelzést is nevezik degeneratív visszacsatolás . Negatív visszacsatolás esetén a visszacsatolásként érkező kimeneti jel levonásra kerül a bemeneti referenciajelből. A kimenet a következő néven ismert hibát eredményez visszacsatolás nyereség . Ez a kivonás után generált hibajel ennek megfelelően módosítja a rendszer válaszát. Ha a rendszer erősítése pozitív, akkor a kimenetről érkező visszacsatoló jelet le kell vonni a bemeneti referenciajelből, hogy a visszacsatolás negatív maradjon.
Amikor a negatív visszacsatolás az levonva a referencia bemenettől stabilabbá teszi a rendszert. Tegyük fel, hogy van egy rendszer, amely szokatlan viselkedést mutat – a változás ellensúlyozására a rendszer kimenő jelet generál. Ez a kimeneti vagy visszacsatoló jel ellensúlyozza a bemeneti jelet – ennek megfelelően módosítja a bemenetet, hogy az egész rendszer hatékonyan működjön.
Negatív visszacsatolási áramkör
A negatív visszacsatolású áramkör az alábbi képen látható. Itt láthatja, hogy egy kimeneti jel visszacsatolt a bemeneti oldalra visszacsatolásként. A bemeneti oldalon különbség keletkezik a referenciajel és a visszacsatolójel különbsége között, ami tovább hajtja a rendszert.
1. Alkatrészek : Az áramkör két fő részből áll:
- G erősítésű erősítő.
- Visszacsatoló hurok β visszacsatolási tényezővel.
A bemeneti jel V ban ben és az erősítő kimenete V ki .
2. Összegző csomópont : Az erősítő bemenetén van egy összegző csomópont (amelyet gyakran egy mínuszjellel ellátott kör képvisel). Ez a csomópont kivonja a visszacsatoló jelet a referencia bemenetből. A kivont rész a β visszacsatolási tényező és a kimeneti Vout szorzata – tehát a hibajel V. ban ben – bV ki .
3. Visszacsatolási hurok : Ez a hibajelzés (V ban ben – bV ki ) vezérli a rendszert. Ez a különbség a kívánt V bemenet között ban ben és a tényleges kimenet V ki β visszacsatolási tényezővel skálázva.
4. Negatív visszajelzés : A kulcsfogalom itt a negatív visszacsatolás. Amikor a kimenet V ki a V bemenet esetleges zavarai vagy változásai miatti változások ban ben a hibajelzés (Vin – βV ki ) létrehozva. A számított hibajelet az erősítő G erősítéssel felerősíti és visszavezeti az összegző csomópontba. Fontos, hogy ez a visszacsatolás negatív, mert levonják a bemenetből.
- Ha a V ki növeli (azaz a rendszer kimenete magasabbra megy a kívántnál) a visszacsatolás csökkenti a V-t hozó hibát ki vissza a kívánt érték felé.
- Ha a V ki csökken (azaz a rendszer kimenete a kívántnál alacsonyabb lesz) a visszacsatolás növeli a V hajtási hibát ki vissza a kívánt érték felé.
5. Általános visszacsatolási egyenlet : Ennek a rendszernek az általános visszacsatolási egyenletét általában a következőképpen fejezzük ki
Ez az egyenlet a V kimenetre vonatkozik ki a Vin bemenetre és a β visszacsatolási tényezőre az erősítő G erősítésén keresztül. Megmutatja, hogy a rendszer hogyan használja a negatív visszacsatolást a kimenet szabályozására és vezérlésére, hogy megfeleljen a kívánt bemenetnek.
Negatív visszacsatolás átviteli funkció
Az átviteli függvény egy egyenletet határoz meg, amely a bemenet és a kimenet közötti kapcsolatot reprezentálja. Megmondja, hogy a bemenet változásai hogyan befolyásolják a kimenetet. Negatív visszacsatolás esetén van egy köztes jelünk, amelyet Z képvisel. Ez a közbenső jel a kimenet és a bemenet közötti különbséget jelenti.
A átviteli funkció A negatív visszacsatolás egyenlete, Z a hibajel vagy korrekció kiszámítására szolgál, amely ahhoz szükséges, hogy a rendszer közelebb kerüljön a kívánt kimeneti értékhez.
A következő blokkdiagram a negatív visszacsatolási rendszert mutatja. A diagram segítségével kiszámíthatjuk az átviteli függvényt egy negatív visszacsatolási rendszerre:
A negatív visszacsatolási rendszer kimenete egyenlő az Y-vel:
Negatív visszacsatolás a műveleti erősítőknél
Negatív visszacsatolású konfigurációban a műveleti erősítő kimenetének (V) egy része a bemeneti invertáló (-) terminálra kerül. Ezt a kimeneti jelet a rendszer levonja a bemeneti referenciaértékből. Segít szabályozni és stabilizálni az erősítő erősítését.
Az op-amp áramkör negatív visszacsatolása segítségével beállíthatja a kívánt erősítési szintet, miközben megőrzi a rendszer stabilitását. A negatív visszacsatolás csökkenti a nemlinearitást az op-amp jellemzőiben, így közelebb kerül az ideális viselkedéshez.
A negatív visszacsatolású műveleti erősítő (op-amp) áramkört úgy tervezték meg, hogy központi elemként egy műveleti erősítőt használnak. Egy műveleti erősítőnek két bemenete van: az egyik invertáló (-), a másik pedig nem invertáló (+). Egy kimeneti csatlakozóval rendelkezik. A negatív visszacsatolású rendszerhez az op-erősítők invertáló oldalát fogjuk használni.
Ez az áramkör általában a következőket tartalmazza:
- Bemeneti ellenállás (Rin), amely összeköti az egyetlen forrást az op-amp invertáló (-) bemenetével.
- Visszacsatoló ellenállás (Rf), amely összeköti az op-amp kimenetét az invertáló (-) bemenettel.
- Csatlakozás a terheléshez az op-amp kimenetén.
A nyereséget az Rf/Rin arány használatával találhatja meg. Ez a negatív visszacsatolás stabilizálja és szabályozza az op-amp viselkedését. Úgy működik, hogy minimalizálja a két invertáló és nem invertáló bemenet közötti feszültségkülönbséget. Virtuális rövidzárlatot hoz létre közöttük. Ennek eredményeként az op-amp úgy állítja be a kimeneti feszültségét, hogy fenntartsa ezt az egyensúlyt – így hatékony erősítővé válik szabályozott erősítéssel.
1. példa: Zárt hurkú erősítés kiszámítása
Egy rendszer 60 dB erősítéssel rendelkezik visszacsatolás nélkül. A negatív visszacsatolási hányad 1/20, keresse meg a zárt hurkú erősítést (dB-ben) negatív visszacsatolás hozzáadásával.
Megoldás:
A zárt hurkú erősítést negatív visszacsatolással a következő képlet adja meg:
Ebben az esetben a nyílt hurkú erősítés 60 dB, a visszacsatolási hányad pedig 1/20.
Tehát 1/20-as visszacsatolási hányaddal a rendszer zárt hurkú erősítése 86,02 dB lesz.
2. példa: Feszültségerősítés kiszámítása
Ha egy erősítő kezdetben 3000 feszültségerősítéssel rendelkezik (visszacsatolás nélkül), majd negatív feszültség-visszacsatolást tartalmaz, amelynek visszacsatolási hányada mv = 0,01. Mekkora lesz az erősítő új feszültségerősítése?
Megoldás :
Használhatja a negatív feszültség-visszacsatolású erősítő feszültségerősítésének képletét – az erősítő feszültségerősítésének kiszámításához:
A fenti képletben:
A f = Feszültségerősítés visszacsatolással
A = Feszültségerősítés visszacsatolás nélkül
mv = Visszacsatolási hányad
Itt van:
Feszültségnövelés visszacsatolás nélkül (A) = 3000
Visszacsatolási hányad (mv) = 0,01
Most írja be ezeket az értékeket a képletbe:
Tehát a negatív feszültség-visszacsatolású erősítő feszültségerősítése körülbelül 96,77.
3. példa: Visszacsatolási ellenállások kiszámítása
Határozza meg a visszacsatoló ellenállások megfelelő értékeit, R 1 és R 2 . A nem invertáló erősítő áramkört 220 000 nyílt hurkú feszültségerősítő (AVOL) műveleti erősítővel kell stabilizálni. A célzott zárt hurkú nyereség 40.
Megoldás :
Egy általános zárt hurkú visszacsatolási egyenlet:
A β visszacsatolási tört meghatározásához rendezze át a fenti egyenletet:
Ebben az esetben a nyílt hurkú nyereség túl magas. Tehát a β visszacsatolási hányad megközelítőleg egyenlő lesz a zárt hurkú erősítés 1/G reciprokával. Mivel az 1/A értéke túl kicsi, megközelítőleg egyenlő (0,025).
Az R1 és R2 ellenállások a fenti konfigurációban a soros feszültségű potenciálosztó áramkört alkotják. A zárt hurkú feszültségerősítést a következőképpen találhatja meg:
Tegyük fel, hogy az R2 értéke 1000 Ω (1 kΩ). Ezután az R értéke 1 úgy írható fel
Tehát a 40-es erősítésű nem invertáló erősítő áramkörhöz ki kell választani az R 1 39 kΩ és R 2 1 kΩ.
Különbség a pozitív és a negatív visszacsatolási rendszerek között
A pozitív és negatív visszacsatolási rendszerek közötti különbséget az alábbi táblázatban találja:
| A visszajelzés típusának különbségei | Pozitív visszajelzést | Negatív visszajelzés |
|---|---|---|
| Meghatározás | Ebben a visszacsatolásban referencia-visszacsatolás és bemeneti jelek jelennek meg. | Ennél a típusnál a kimeneti visszacsatolás levonásra kerül a referencia bemenetből. |
| Elnevezéstan | Pozitív visszajelzés vagy regeneráló visszajelzés. | Negatív visszajelzés vagy degeneratív visszajelzés. |
| Célja | Felerősíti vagy növeli a jelet. | Stabilizálja vagy szabályozza a jelet. |
| Hatás a rendszerre | Kiszámíthatatlan viselkedéshez és oszcillációhoz vezethet. | Elősegíti a kiszámíthatóságot és az állandósult működést. |
| Nyerj Irányt | Növeli a rendszer nyereségét. | Csökkenti a rendszer nyereségét. |
| Használat | Hangerősítők és relaxációs oszcillátorok. | Műveleti erősítők (Op-Amps), visszacsatoló vezérlőrendszerek. |
| Stabilitás | Gyakran instabilitáshoz vezet. | Javítja a rendszer stabilitását. |
| Például | Schmitt triggerek és papucsok. | Feszültségerősítők és hőmérséklet-szabályozók. |
A negatív visszacsatolási rendszer alkalmazásai és tulajdonságai
A negatív visszacsatolású rendszereknek számos alkalmazása van az általános elektronikában. Ezek a rendszerek javították a rendszer instabilitását, a rendszer linearitását, a frekvenciaválaszt és a lépésválaszt. A negatív visszacsatolási rendszerek ezen előnyei miatt számos elektronikai erősítő áramkör rendelkezik negatív visszacsatoló rendszerrel.
Az alábbiakban néhány részletes leírás található a negatív visszacsatolási rendszerekről:
Stabilitás : A negatív visszacsatolási rendszer csökkenti a kívánt ponttól való eltéréseket, ami stabilabb rendszert eredményez. Például egy termosztát gondoskodik arról, hogy a hőmérséklet a kiválasztott érték közelében maradjon.
Pontosság: A negatív visszacsatolási rendszerek a hibák minimalizálásával javítják a rendszer pontosságát. Egy erősítő áramkörben a negatív visszacsatolás csökkenti a torzítást és stabilabb jelet állít elő a kimeneten.
Sávszélesség szabályozás : Az erősítő sávszélességét egy negatív visszacsatoló rendszer segítségével is szabályozhatjuk. Ezáltal több alkalmazásra is alkalmasak. Ezek az alkalmazások magukban foglalják a hangerősítést a rádiófrekvenciás erősítésig.
Zajcsökkentés : A negatív visszacsatolás csökkentheti a nem kívánt zajt és interferenciát. A zajcsökkentés többféleképpen alkalmazható az audiorendszerek és kommunikációs eszközök területén.
Dinamikus válasz : A negatív visszacsatolású rendszerek dinamikus válaszadási képességgel rendelkeznek. Ezek a rendszerek az adott feltételekhez igazodhatnak. Példa a dinamikus reakcióra az autó sebességtartó rendszere.
A negatív visszajelzés hatása a sávszélességre
A sávszélesség megmagyarázza az állandó erősítéssel rendelkező erősítő működési frekvenciatartományát. A nagyobb sávszélességű rendszer azt jelenti, hogy az erősítő több frekvenciát képes kezelni. A negatív visszacsatolás csökkenti az erősítő erősítését azáltal, hogy a kimenetet a bemeneti oldalon adja. Ez javítja a rendszer stabilitását és linearitását, de ennek eredményeként csökkenti a rendszer nyereségét is.
A negatív visszacsatolás hatása a sávszélességre az alkalmazott visszajelzés típusától és mennyiségétől függ. Általában a negatív visszacsatolás növeli a sávszélességet a rendszer erősítésének csökkentésével. Az erősítés sávszélesség szorzata, amely az erősítő teljesítményének mértéke, a visszacsatolástól függetlenül állandó marad.
Például 100 és 10 kHz sávszélességű visszacsatolás nélküli erősítő áramkört. A negatív visszacsatolás alkalmazása az erősítést 10-re csökkenti. Ez 100 kHz-re növeli a sávszélességet. Az erősítés-sávszélesség szorzat továbbra is 100 × 10 kHz = 1 MHz mindkét esetben.
A negatív visszacsatolás azonban az erősítő vágási frekvenciáit is befolyásolja. Ezek azok a frekvenciák, ahol a rendszer a maximális értéktől csökken. A negatív visszacsatolás csökkenti a vágási frekvenciát, és növeli a felső határfrekvenciát. Ez az erősítő frekvencia-válasz görbéjének kiszélesedését eredményezi. A negatív visszacsatolás nettó hatása a sávszélességre az, hogy nyereséget cserél a sávszélességre.
Ez azt jelenti, hogy a negatív visszacsatolás alkalmazása növeli az erősítő által kezelhető frekvenciatartományt. Mindez azonban az erősítési tényező csökkentésével jár.
Következtetés
A negatív visszacsatolású rendszer úgy tudja szabályozni vagy beállítani a kimenetet, hogy a kimenet egy részét a bemeneti oldalon szolgálja ki. Ez a visszacsatolás hibajelzést generál, ami stabilabb rendszert biztosít. Ez a hibajelzés dinamikus, és a teljes rendszert hajtja. A negatív visszacsatolási rendszer javíthatja a rendszer pontosságát és szabályozhatja a sávszélességet is. Ezt a visszacsatoló rendszert olyan erősítő áramkörökben használják, mint például a zajszűrő vagy az autós sebességtartó rendszer. Olvasson többet a negatív visszajelzések részletes leírásáról ebben a cikkben.