Geri Bildirim Sistemi

Bir Geri Bildirim Sisteminde, çıkış sinyalinin tamamı veya bir kısmı, pozitif veya negatif olarak girişe geri beslenir.

GeriBildirim Sistemleri sinyalleri işler ve bu nedenle sinyal işlemcileridir. Bir geri bildirim sisteminin işlem kısmı, çok basitten çok karmaşık devrelere kadar değişen, elektrik veya elektronik olabilir.

Basit analog geribildirim kontrol devreleri, transistörler, dirençler ve kapasitörler vb. gibi ayrı veya ayrı bileşenler kullanılarak veya daha karmaşık dijital geribildirim sistemleri oluşturmak için mikroişlemci tabanlı ve entegre devreler (IC’ler) kullanılarak oluşturulabilir.

Gördüğümüz gibi, açık döngü sistemleri sadece açık uçludur ve kazanç ve kararlılık, sıcaklık, besleme voltajı gibi devre parametrelerindeki değişiklikler nedeniyle devre koşullarındaki değişiklikleri veya yük koşullarındaki değişiklikleri telafi etmek için hiçbir girişimde bulunulmaz. varyasyonlar ve/veya harici rahatsızlıklar. Ancak bu “açık döngü” varyasyonlarının etkileri, Geri bildirimin tanıtılmasıyla ortadan kaldırılabilir veya en azından önemli ölçüde azaltılabilir .

Geribildirim sistemi, çıkış sinyalinin örneklendiği ve ardından sistemi çalıştıran bir hata sinyali oluşturmak için girişe geri beslendiği sistemdir. Kapalı Döngü Sistemleri hakkındaki önceki öğreticide, genel olarak geribildirimin, bir sistemden gelen çıkış sinyalinin bir kısmının etkin giriş sinyalini bir yanıt üretecek şekilde değiştirmesine izin veren bir alt devreden oluştuğunu gördük. bu, böyle bir geri bildirimin yokluğunda üretilen yanıttan önemli ölçüde farklı olabilir.

Geri Bildirim Sistemleri çok kullanışlıdır ve amplifikatör devrelerinde, osilatörlerde, proses kontrol sistemlerinde ve diğer elektronik sistem türlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak geri bildirimin etkili bir araç olması için kontrol edilmesi gerekir, çünkü kontrolsüz bir sistem ya salınım yapar ya da çalışmaz. Bir geri besleme sisteminin temel modeli şu şekilde verilir:

Geri Bildirim Sistem Blok Şeması Modeli

Geri Bildirim Sistemi

Algılama, kontrol ve çalıştırmadan oluşan bu temel geribildirim döngüsü, bir geribildirim kontrol sisteminin arkasındaki ana kavramdır ve elektronik devrelerde geribildiriminin uygulanmasının ve kullanılmasının birkaç iyi nedeni vardır:

  • Sistem kazancı ve tepkisi gibi devre özellikleri hassas bir şekilde kontrol edilebilir.
  • Devre özellikleri, besleme gerilimleri veya sıcaklık değişimleri gibi çalışma koşullarından bağımsız yapılabilir.
  • Kullanılan bileşenlerin doğrusal olmayan yapısı nedeniyle sinyal bozulması büyük ölçüde azaltılabilir.
  • Bir devrenin veya sistemin Frekans Tepkisi, Kazancı ve Bant Genişliği, sıkı sınırlar içinde kolayca kontrol edilebilir.

Birçok farklı kontrol sistemi türü olmasına rağmen, sadece iki ana geribildirim kontrolü türü vardır: Negatif Geri Bildirim ve Pozitif Geri Bildirim .

Olumlu Geri Bildirim Sistemleri

Bir “pozitif geribildirim kontrol sisteminde”, geribildirim girişle “aynı fazda” olduğu için ayar noktası ve çıkış değerleri kontrolör tarafından birbirine eklenir. Pozitif (veya rejeneratif) geribildirimin etkisi, sistem kazancını “artırmaktır”, yani, uygulanan pozitif geribildirim ile toplam kazanç, geribildirim olmaksızın elde edilen kazançtan daha büyük olacaktır. Örneğin, biri sizi övüyorsa veya bir şey hakkında size olumlu geribildirim veriyorsa, kendiniz hakkında mutlu ve enerji dolu hissediyorsunuz, daha olumlu hissediyorsunuz.

Bununla birlikte, elektronik ve kontrol sistemlerinde çok fazla övgü ve pozitif geribildirim, sistemlerin kazancını çok fazla artırabilir ve bu da etkin giriş sinyalinin büyüklüğünü arttırdığı için salınım devresi tepkilerine yol açacaktır.

Pozitif geribildirim sistemlerine bir örnek, işlemsel bir amplifikatöre dayalı bir elektronik amplifikatör veya gösterildiği gibi op-amp olabilir.

Olumlu Geri Bildirim Sistemi

Geri Bildirim Sistemi

Op-amp’nin pozitif geribildirim kontrol de çıkış voltajı sinyalinin küçük bir kısmını uygulayarak elde edilir Vout evirmeyen (için geri  +  geribildirim dirençli, ile) giriş terminaline R F .

Giriş voltajı Vin pozitifse, op-amp bu pozitif sinyali güçlendirir ve çıkış daha pozitif olur. Bu çıkış voltajının bir kısmı geribildirim ağı tarafından girişe geri döndürülür.

Böylece giriş voltajı daha pozitif hale gelir ve daha da büyük bir çıkış voltajına neden olur ve bu böyle devam eder. Sonunda çıktı, pozitifbildirim rayında doymuş hale gelir.

Benzer şekilde, giriş gerilimi Vin negatifse, bunun tersi olur ve op-amp, negatif besleme rayında doyurulur. O zaman, pozitif geri beslemenin devrenin bir amplifikatör olarak işlev görmesine izin vermediğini görebiliriz, çünkü çıkış voltajı bir besleme rayına veya diğerine hızla doyar, çünkü pozitif geribildirim döngüleri ile “daha fazla yol daha çok yol açar” ve “daha az yol daha az yol açar”.

O zaman herhangi bir sistem için döngü kazancı pozitifse, transfer fonksiyonu şöyle olacaktır: Av = G / (1 – GH) . Not eğer GH = 1 sistem kazancı Av = sonsuzluk ve devre bir osilatör yapmak istiyorsanız yararlıdır hiçbir giriş sinyali salınımların devam ettirebilmek için gerekli olan bundan sonra kendinden salınmak, başlayacaktır.

Genellikle istenmeyen bir durum olarak görülse de, bu davranış elektronikte bir koşula veya sinyale çok hızlı bir anahtarlama yanıtı elde etmek için kullanılır. Pozitif geribildirim kullanımına bir örnek, bir mantık cihazının veya sistemin, bazı girdiler önceden belirlenmiş bir eşiği geçene kadar belirli bir durumu koruduğu histerezistir. Bu tür davranışa “iki-kararlılık” denir ve genellikle mantık kapıları ve multivibratörler gibi dijital anahtarlama cihazlarıyla ilişkilendirilir.

Pozitif veya rejeneratif geri beslemenin, kendi kendine salınımlara yol açabilecek bir sistemde kazancı ve kararsızlık olasılığını artırdığını ve bu nedenle, Osilatörler ve Zamanlama devreleri gibi salınım devrelerinde pozitif geri beslemenin yaygın olarak kullanıldığını gördük .

Negatif Geri Bildirim Sistemleri

Bir “negatif geribildirim kontrol sisteminde”, geribildirim orijinal girişle “faz dışı” olduğu için ayar noktası ve çıkış değerleri birbirinden çıkarılır. Negatif (veya dejeneratif) geri beslemenin etkisi, kazancı “azaltmaktır”. Örneğin, biri sizi eleştirirse veya bir şey hakkında size olumsuz geribildirim verirse, kendiniz hakkında mutsuz hissedersiniz ve bu nedenle enerjiniz düşerse, daha az olumlu hissedersiniz.

Negatif geribildirim, kararlı devre yanıtları ürettiği, kararlılığı geliştirdiği ve belirli bir sistemin çalışma bant genişliğini artırdığı için, tüm kontrol ve geribildirim sistemlerinin çoğu, kazancın etkilerini azaltan dejeneratiftir.

Negatif bir geribildirim sisteminin bir örneği, gösterildiği gibi işlemsel bir yükselticiye dayalı bir elektronik yükselticidir.

Olumsuz Geri Bildirim Sistemi

Geri Bildirim Sistemi

Amplifikatörün negatif geribildirim kontrolü, Vout’taki çıkış voltajı sinyalinin küçük bir kısmının geri bildirim direnci, Rf aracılığıyla evirici (  – ) giriş terminaline uygulanmasıyla sağlanır .

Giriş voltajı Vin pozitifse, op-amp bu pozitif sinyali yükseltir, ancak yükselticinin ters çevirici girişine bağlı olduğu için çıkış daha negatif olur. Bu çıkış voltajının bir kısmı geribildirim ağı tarafından girişine geri döndürülür Rf .

Böylece giriş voltajı, negatif geribildirim sinyali tarafından azaltılarak daha da küçük bir çıkış voltajına neden olur ve bu böyle devam eder. Sonuç olarak çıktı, Rf ÷ Rin kazanç oranı tarafından belirlenen bir değerde duracak ve kararlı hale gelecektir .

Benzer şekilde, giriş voltajı Vin negatifse, bunun tersi olur ve op-amp çıkışı pozitif (ters çevrilmiş) olur ve bu da negatif giriş sinyaline eklenir. O zaman, çıkış doygunluk sınırları içinde olduğu sürece, negatif geri beslemenin devrenin bir amplifikatör olarak işlev görmesine izin verdiğini görebiliriz.

Böylece, çıkış voltajının stabilize olduğunu ve geribildirim tarafından kontrol edildiğini görebiliriz, çünkü negatif geribildirim döngüleri ile “daha fazla yol daha az yol açar” ve “daha az yol daha çok yol açar”.

O zaman herhangi bir sistem için döngü kazancı pozitifse, transfer fonksiyonu şöyle olacaktır: Av = G / (1 + GH) .

Kullanımı negatif geri amplifikatör ve süreç kontrol sistemleri için geribildirim sistemleri pozitif geribildirim sistemlerine göre daha kararlı bir kural negatif olarak yaygın olduğunu ve haricinde herhangi bir frekansta tek başına salınım yoksa, bir negatif geri besleme sisteminin kararlı olduğu söylenmektedir Belirli bir devre durumu.

Diğer bir avantaj, negatif geri beslemenin ayrıca kontrol sistemlerini bileşen değerleri ve girdilerindeki rastgele değişikliklere karşı daha bağışık hale getirmesidir. Tabii ki hiçbir şey bedava değildir, bu nedenle negatif geribildirim belirli bir sistemin çalışma özelliklerini önemli ölçüde değiştirdiği için dikkatli kullanılmalıdır.

Geri Bildirim Sistemlerinin Sınıflandırılması

Şimdiye kadar çıkış sinyalinin giriş terminaline nasıl “geri beslendiğini” gördük ve geribildirim sistemleri için bu, Pozitif Geri Besleme veya Negatif Geri Besleme olabilir . Ancak çıkış sinyalinin ölçülme ve giriş devresine verilme şekli, dört temel geri besleme sınıflandırmasına yol açan çok farklı olabilir.

Güçlendirilen giriş miktarına ve istenen çıkış koşuluna bağlı olarak, giriş ve çıkış değişkenleri gerilim veya akım olarak modellenebilir. Sonuç olarak, çıkış sinyalinin girişe geri beslendiği tek döngülü geribildirim sisteminin dört temel sınıflandırması vardır ve bunlar:

  • Seri-Şönt Konfigürasyonu – Gerilim girişi ve Gerilim çıkışı veya Gerilim Kontrollü Gerilim Kaynağı (VCVS).
  • Şönt-Şönt Konfigürasyonu – Akım girişi ve Voltaj çıkışı veya Akım Kontrollü Voltaj Kaynağı (CCVS).
  • Seri-Seri Konfigürasyon – Gerilim girişi ve Akım çıkışı veya Gerilim Kontrollü Akım Kaynağı (VCCS).
  • Şönt Serisi Yapılandırma – Akım girişi ve Akım çıkışı veya Akım Kontrollü Akım Kaynağı (CCCS).

Bu adlar, geribildirim ağının gösterildiği gibi giriş ve çıkış aşamaları arasında bağlanma biçiminden gelir.

Seri-Şönt Geri Bildirim Sistemleri

Seri gerilim geri beslemesi olarak da bilinen Seri-Şönt Geri Bildirim , gerilim-voltaj kontrollü bir geribildirim sistemi olarak çalışır. Geribildirim ağından geri beslenen hata voltajı giriş ile seri halindedir. Çıkıştan geri beslenen voltaj, çıkış voltajıyla orantılıdır, Vo paralel veya şönt bağlı olduğundan.

Seri-Şönt Geri Bildirim Sistemi

Geri Bildirim Sistemi

Seri şönt bağlantı için konfigürasyon, çıkış gerilimi, Vout giriş gerilimine, Vin olarak tanımlanır. Çoğu evirici ve evirici olmayan işlemsel yükselteç devreleri, “gerilim yükselticisi” olarak bilinen şeyi üreten seri-şönt geribildirim ile çalışır. Bir voltaj yükseltici olarak ideal giriş direnci, Rin çok büyüktür ve ideal çıkış direnci, Rout çok küçüktür.

Daha sonra “seri-şönt geribildirim konfigürasyonu”, giriş sinyali bir voltaj ve çıkış sinyali bir voltaj olduğu için gerçek bir voltaj yükselticisi olarak çalışır, dolayısıyla transfer kazancı şu şekilde verilir: Av = Vout ÷ Vin . Birimi volt/volt olduğundan bu miktarın boyutsuz olduğuna dikkat edin.

Şönt Serisi Geri Bildirim Sistemleri

Şönt akım geri beslemesi olarak da bilinen Şönt Serisi Geri Bildirim , akım-akım kontrollü bir geribildirim sistemi olarak çalışır. Geri besleme sinyali, yükte akan Io çıkış akımıyla orantılıdır . Geribildirim sinyali, gösterildiği gibi giriş ile paralel veya şönt olarak geri beslenir .

Şönt Serisi Geri Bildirim Sistemi

Geri Bildirim Sistemi

Şönt serisi bağlantı için, konfigürasyon çıkış akımı, Iout’tan giriş akımına Iin olarak tanımlanır. Şönt-serisi geri besleme konfigürasyonunda, geri beslenen sinyal, giriş sinyaline paraleldir ve bu nedenle, eklenen voltajlarla değil, akımlarla paraleldir.

Bu paralel şönt geri besleme bağlantısı normalde sistemin voltaj kazancını etkilemeyecektir, çünkü bir voltaj çıkışı için bir voltaj girişi gereklidir. Ayrıca çıkıştaki seri bağlantı çıkış direncini artırır, Rout girişteki şönt bağlantı giriş direncini azaltır, Rin .

Daha sonra, giriş sinyali bir akım ve çıkış sinyali bir akım olduğundan, “şönt-serisi geri besleme konfigürasyonu” gerçek bir akım yükselticisi olarak çalışır, dolayısıyla transfer kazancı şu şekilde verilir: Ai = Iout ÷ Iin . Birimi amper/amper olduğundan bu miktarın boyutsuz olduğuna dikkat edin.

Seri-Seri Geri Besleme Sistemleri

Seri akım geri beslemesi olarak da bilinen Seri-Seri Geri Besleme Sistemleri , gerilim-akım kontrollü geri besleme sistemi olarak çalışır. Seri akım konfigürasyonunda, geri besleme hata sinyali giriş ile seri halindedir ve yük akımı Iout ile orantılıdır . Aslında bu tür bir geri besleme, akım sinyalini gerçekte geri beslenen bir gerilime dönüştürür ve girişten çıkarılan bu gerilimdir.

Seri-Seri Geri Bildirim Sistemi

Geri Bildirim Sistemi

Seri seri bağlantı için konfigürasyon, çıkış akımı, giriş gerilimine Iout, Vin olarak tanımlanır. Seri bağlantının çıkış akımı, Iout’u voltaj olarak geri beslendiği için sistemin hem giriş hem de çıkış empedanslarını arttırır. Bu nedenle devre, ideal giriş direncine sahip bir transkondüktans amplifikatörü olarak en iyi şekilde çalışır, Rin çok büyüktür ve ideal çıkış direnci Rout da çok büyüktür.

Daha sonra, giriş sinyali bir voltaj ve çıkış sinyali bir akım olduğundan, “seri-serisi geri besleme konfigürasyonu”, transkondüktans tipi amplifikatör sistemi olarak işlev görür. daha sonra bir seri-serisi geri besleme devresi için transfer kazancı şu şekilde verilir: Gm = Iout ÷ Vin .

Şönt-Şönt GeriBildirim Sistemleri

Şönt voltaj geri beslemesi olarak da bilinen Şönt-Şönt Geri Besleme Sistemleri , akım-voltaj kontrollü geri besleme sistemi olarak çalışır. Şönt-şönt geri besleme konfigürasyonunda, geri beslenen sinyal giriş sinyali ile paraleldir. Çıkış voltajı algılanır ve akım, şöntteki giriş akımından çıkarılır ve bu nedenle, çıkan voltajlardan değil, akımlardan çıkarılır.

Şönt-Şönt Geri Bildirim Sistemi

Geri Bildirim Sistemi

Şönt-şönt bağlantısı için, konfigürasyon çıkış gerilimi, Vout giriş akımına, Iin olarak tanımlanır. Çıkış voltajı, akımla yönlendirilen bir giriş portuna bir akım olarak geri beslendiğinden, hem giriş hem de çıkış terminallerindeki şönt bağlantılar, giriş ve çıkış empedansını azaltır. Dolayısıyla sistem İdeal giriş direnci ile bir geçiş direnci sistemi olarak en iyi şekilde çalışır, Rin çok küçük olan ve ideal çıkış direnci, Rout da çok küçük olması.

Daha sonra şönt voltaj konfigürasyonu, giriş sinyali bir akım ve çıkış sinyali bir voltaj olduğu için transdirenç tipi voltaj yükselticisi olarak çalışır, dolayısıyla transfer kazancı şu şekilde verilir: Rm = Vout ÷ Iin

Özetle

Bir GeriBildirim Sisteminin , çıkış sinyalinin örneklendiği ve daha sonra sistemi çalıştıran bir hata sinyali oluşturmak için girişe geri beslendiği ve kullanılan geri bildirim tipine bağlı olarak, geribildirim sinyalinin sistemle karıştırıldığı bir sistem olduğunu gördük . sistem giriş sinyali, voltaj veya akım olabilir.

Geribildirim her zaman bir sistemin performansını değiştirecektir ve geribildirim düzenlemeleri ya pozitif (rejeneratif) ya da negatif (dejeneratif) tip geribildirim sistemleri olabilir. Sistemin etrafındaki geribildirim döngüsü, negatif olan bir döngü kazancı üretiyorsa, geri beslemenin olumsuz veya dejeneratif olduğu söylenir ve olumsuz geri beslemenin ana etkisi sistem kazancını azaltmaktır.

Bununla birlikte, döngü etrafındaki kazanç pozitifse, sistemin pozitif geri bildirime veya yenileyici geri bildirime sahip olduğu söylenir. Olumlu geri beslemenin etkisi, özellikle GH = -1 ise bir sistemin kararsız hale gelmesine ve salınmasına neden olabilecek kazancı arttırmaktır .

Blok diyagramların çeşitli geribildirim sistemlerini göstermek için kullanılabileceğini de gördük. Yukarıdaki blok diyagramlarda, giriş ve çıkış değişkenleri gerilim veya akım olarak modellenebilir ve bu nedenle olası geribildirim türlerini temsil eden dört giriş ve çıkış kombinasyonu vardır, yani: Seri Gerilim Geri Beslemesi, Şönt Gerilim Geri Beslemesi, Seri Akım Geri Beslemesi ve Şönt Akımı Geri Beslemesi.

Bu farklı türdeki geribildirim sistemlerinin adları, geri besleme ağının giriş ve çıkış aşamaları arasında paralel (şönt) veya seri olarak bağlanma biçiminden türetilmiştir.

Geribildirim Sistemleri ile ilgili bir sonraki derste , Negatif Geri Beslemenin bir sistem üzerindeki etkilerine bakacağız ve bunun bir kontrol sistemlerinin kararlılığını geliştirmek için nasıl kullanılabileceğini göreceğiz.