Обратная связь в электронике это

Основные понятия и определения. В усилителях помимо прямой связи, благодаря которой происходит передача сигнала от источника к нагрузке с повышением уровня мощности, существуют обратные связи (ОС), обеспечивающие возвращение части энергии сигнала в сторону входа усилителя. Цепи, по которым энергия сигнала передается в обратном направлении, называются цепями обратной связи. В усилителях цепи обратных связей вводят преднамеренно для изменения их свойств в нужном направлении, так как выходной сигнал, поступающий по цепи обратной связи, служит средством контроля состояния усилителя и позволяет целенаправленно воздействовать на его показатели и характеристики. Таким образом, ОС в усилителях служит для самоконтроля и коррекции его работы. В дальнейшем усилители или усилительные каскады, а также цепи ОС будем обозначать в виде четырехполюсников.

Для обобщенной схемы усилителя с ОС, приведенной на рис. 3.11, я, определим коэффициент передачи в комплексной форме как отношение амплитуд выходного сигнала к входному:

где К — коэффициент усиления усилителя без обратной связи; р — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи; К и р

Рис. 3.11. Однопетлевая (а) и многопетлевая (б) обратная связь являются комплексными величинами. При выводе формулы (3.14) использовалось очевидное из рис. 3.11, а соотношение

Усилитель с четырехполюсником ОС образуют кольцевую цепь, которая называется петлей ОС. Произведение рК определяет коэффициент усиления сигнала по такой петле и называется коэффициентом петлевого усиления. Петлевое усиление, взятое с обратным знаком, т.е. произведение -5К, называют возвратным отношением. Величину 1 — рК называют возвратной разностью, которая в относительных единицах представляет собой разность между подаваемым на вход усилителя сигналом и сигналом, пришедшим на выход четырехполюсника ОС при разомкнутой петле ОС. Как ясно из соотношения (3.13), возвратная разность является мерой количественной оценки влияния ОС на свойства усилителя.

Основные классификационные признаки ОС. По способу образования обратной связи различают:

• • внутреннюю ОС, обусловленную физическими свойствами и особенностями конструкции усилительных элементов;
• • внешнюю ОС, введенную в усилитель с помощью дополнительных цепей.

По причинной обусловленности обратной связи можно выделить:

• • преднамеренную ОС, предназначенную для улучшения показателей усилителя;
• • паразитную ОС, обусловленную неудачным расположением радиодеталей и монтажом, наличием паразитных емкостных, индуктивных и гальванических связей между усилительными каскадами и другими причинами.

По способу сум м и р о в а н и я и л и ф а з и р о в а н и я сигналов источника и ОС различают:

Обратная связь в электронике ПОС и ООС.Как это увидеть и услышать

• • положительную ОС, при которой сигналы совпадают по фазе и осуществляется арифметическое сложение сигналов;
• • отрицательную ОС, при которой сигналы находятся в противофазе и осуществляется арифметическое вычитание сигналов.

Этот классификационный признак справедлив для средних частот рабочего диапазона усилителя. В общем случае происходит геометрическое сложение входного сигнала и сигнала ОС, поэтому обратная связь является комплексной. Отрицательная обратная связь (ООС) широко используется для изменения показателей и характеристик усилителей в нужном направлении.

По структуре цепей обратные связи разделяют:

• на однопетлевую ОС (см. рис. 3.11, а), когда цепь обратной связи вместе с частью усилителя, которую она охватывает, образует один замкнутый контур;

• многопетлевую ОС (рис. 3.11, б), когда число петель ОС превышает единицу. Если ОС охватывает один усилительный каскад, ее называют местной ОС.

По способу соединения усилителя и четырехполюсника ОС различают:

• • обратную связь У-типа, при которой входные и выходные цени обоих четырехполюсников соединены параллельно (рис. 3.12, а). В результате такого соединения образуется новый четырехполюсник, У-параметры которого равны сумме У-параметров усилителя и четырехполюсника ОС;
• • обратную связь Z-muna, при которой входные и выходные цепи обоих четырехполюсников соединены последовательно (рис. 3.12, б)
• • обратную связь G-muna, при которой входные цепи обоих четырехполюсников соединены параллельно, а выходные последовательно (рис. 3.12, в);
• • обратную связь Н-типа, при которой входные цепи обоих четырехполюсников соединены последовательно, а выходные параллельно (рис. 3.12, г).

Рис. 3.12. Виды ОС по способу соединения четырехполюсников

Вместо способа соединения усилителя с четырехполюсником ОС используются два сходных классификационных признака: способ снятия и способ введения сигналов ОС.

По способу снятия сигнала, или схеме соединения выходной цепи усилителя, входной цепи четырехполюсника ОС и нагрузки, выделяют три вида ОС (рис. 3.13):

Рис. 3.13. Виды обратной связи по способу снятия сигнала:

а — ОС но напряжению; б — ОС по току; в — комбинированная ОС

• • ОС по напряжению (рис. 3.13, а), для которой выходная цепь усилителя (в виде источника тока 1К), входная цепь четырехполюсника ОС (/. R2) и нагрузка (Ун) соединены параллельно. Для ОС по напряжению характерны следующие признаки: при коротком замыкании нагрузки сигнал ОС (U(K) пропадает, а при отключении нагрузки — сохраняется. Такой способ снятия сигнала реализован при ОС У-типа (см. рис. 3.12, а) и Я-типа (см. рис. 3.12, г);
• • ОС по току (рис. 3.13, б), для которой выходная цепь усилителя (в виде источника ЭДС Ек), входная цепь четырехполюсника ОС (Л3) и нагрузка (Z(l) соединены последовательно. Для этого способа снятия сигнала при коротком замыкании нагрузки сигнал ОС (U(K) сохраняется, а при отключении нагрузки — пропадает. Связь по току используется при ОС Z-типа (см. рис. 3.12, б) и Я-типа (см. рис. 3.12, а);
• • комбинированную ОС по выходу (рис. 3.13, в), для которой при коротки замыкании и отключении нагрузки (Wn —* Z„ или Уи) сигнал ОС (U(K) сохраняется. При R3 = 0 комбинированная ОС вырождается в ОС по напряжению (см. рис. 3.13, а); при = оо, R2 = 0 — в ОС по току (см. рис. 3.13, б).

По способу введения сигнала О С во входную цепь усилителя, или схеме соединения входной цепи усилителя, выходной цепи четырехполюсника ОС и источника сигналов, выделяют три вида ОС:

• параллельную ОС (рис. 3.14, а), для которой входная цепь усилителя (в виде входной проводимости Увх),в выходная цепь четырехполюсника ОС (в виде источник тока /ос) и источника входных сигналов (в виде источника тока /и) соединены параллельно. Для параллельной ОС характерны следующие признаки: при коротком замыкании источника сигналов /и сигнал ОС не передается на вход усилителя, а при отключении — передается. Такой способ введения сигнала обратной связи реализован при ОС У-типа (см. рис. 3.12, а) и G-типа (см. рис. 3.12, в);

Рис. 3.14. Виды обратной связи по способу подачи сигнала:

а — параллельная ОС; б — последовательная ОС; в — комбинированная ОС

• • последовательную ОС (рис. 3.14, б), для которой входная цепь усилителя (в виде входного сопротивления ZBX), выходная цепь четырехполюсника ОС (в виде источника ЭДС Еос) и источника входных сигналов (в виде ЭДС EJ соединены последовательно. В этом случае при коротком замыкании источника сигналов Еи сигнал Е(к. поступает па вход усилителя, а при отключении — не поступает. Последовательная связь используется при ОС Z-типа (см. рис. 3.12, 6) и G-типа (см. рис. 3.12, г);
• • комбинированную ОС по входу (рис. 3.14, в), для которой при коротком замыкании и отключении источника сигналов Stt сигнал ОС 50Споступает на вход усилителя. При R= R3 = О, R2 = °° комбинированная ОС вырождается в параллельную ОС (см. рис. 3.14, а); при R= R3 = °о, R2 = 0 — в последовательную ОС (см. рис. 3.14, б).

Влияние ООС на свойства усилителей. В учебнике [62 ] рассмотрены усилители, в которых используется ОС Y-, Z-, G- и Я-типов при следующих допущениях:

• матрицы обобщенных параметров усилителя без обратной связи (W к), четырехполюсника ОС (Wp) и усилителя, охваченного обратной связью (WK ос), имеют следующий вид:

• левые зажимы цепи ОС или p-четырехполюсника на приведенных схемах (см. рис. 3.12) определены как входные, при этом энергия сигнала передается от выходных (правых) зажимов к входным, т.е. из выходной цепи усилителя во входную.

Решение задачи нахождения параметров усилителей ОС и без ОС и их сравнительная оценка позволили в «чистом» виде выявить влияние ОС на показатели усилителя, так как все обобщенные М^-параметры p-четырехполюсника, за исключением WV2, приняты равными нулю и поэтому не оказывают влияния на работу усилителя. Влияние различных типов ООС на показатели усилителей сведены в табл. 3.3.

Зачем нужна обратная связь

В отличие от идеальных операционных усилителей (ОУ), имеющих равномерную АЧХ, то есть их коэффициент усиления не изменяется в зависимости от частоты входного сигнала, реальные ОУ имеют коэффициент усиления, который с ростом частоты усиливаемого сигнала уменьшается. Кроме того в ОУ с увеличением частоты сигнала происходит фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, вследствие этого на некоторых частотах усиливаемого сигнала происходит самовозбуждение схемы, то есть усилитель превращается в генератор. Это всё приводит к уменьшению качественных показателей электронных схем.

Одним из наиболее распространённых и эффективных способов влияния на качественные параметры электронных схем с ОУ является применение обратной связи (ОС). Стоит отметить, что ОС широко применяется не только с ОУ, но и со многими другими электронными схемами, поэтому всё, что будет сказано про использование ОС с ОУ, относится и ко всем другим схемам с ОС.

Обратная связь определяется, как связь выходной цепи усилителя с его входной цепью, то есть когда усиленный сигнал с выхода усилителя передается на его вход через цепи, которые специально вводятся для этой цели (внешняя ОС) или через цепи, которые имеются в усилителе для выполнения других функций (внутренняя ОС). На рисунке ниже показана структурная схема усилителя с обратной связью

Структурная схема усилителя с обратной связью.

На рисунке выше показана структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, который охвачен внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Стрелки на схеме показывают направление прохождения сигнала. Таким образом, часть усиленного сигнала с выхода усилителя поступает через цепь ОС на вход усилителя, где складывается с внешним сигналом. В результате на входе усилителя возникает суммарный входной сигнал, который может быть больше или меньше внешнего сигнала.

Виды обратной связи

Если сумма амплитуд внешнего сигнала и сигнала цепи обратной связи оказывается больше амплитуды внешнего сигнала, то данная цепь ОС называется положительной обратной связью (ПОС), а в случае если сумма амплитуд внешнего сигнала и сигнала цепи обратной связи оказывается меньше амплитуды внешнего сигнала, то такая ОС называется отрицательной обратной связью (ООС).

Путём введения ОС удаётся достаточно сильно изменить процесс работы и свойства усилителя, которые определяются как свойством усилителя, так и свойством цепи ОС. На свойства цепи ОС существенное влияние оказывает её вид, то есть принцип её действия, зависящий в общем случае от полярности и фазы напряжения ОС, а также способа её соединения с входными и выходными цепями усилителя.

Различают четыре вида обратных связей:

1. параллельная обратная связь по напряжению.
2. параллельная обратная связь по току.
3. последовательная обратная связь по напряжению.
4. последовательная обратная связь по току.

Кроме того существует также смешанная обратная связь, но из-за сложности в изготовлении и настройке данный вид обратной связи большого распространения не получил.

Рассмотрим, как образуется каждый вид обратной связи.

Что такое обратная связь в электронике и автоматике

Обратная связь — воздействие выходной величины какой-либо системы С (рис. 1) на вход этой же системы. В более широком смысле обратная связь — воздействие результатов функционирования некоторой системы на характер этого функционирования.

На функционирующую систему, кроме выходной величины, могут действовать также внешние воздействия (х на рис. 1). Цепь AB, по которой передается обратная связь, называется цепью, линией или каналом обратной связи.

Канал может сам содержать какую-либо систему (Д, рис. 2), преобразующую выходную величину в процессе ее передачи. В этом случае говорят, что обратная связь с выхода системы на ее вход осуществляется с помощью или через посредство системы Д.

Обратная связь является одним из важнейших понятий электроники и теории автоматического управления. Конкретные примеры реализации систем, содержащих обратные связи, можно обнаружить при изучении самых разнообразных процессов в автоматических системах, живых организмах, экономических структурах и т. п.

В силу универсальности понятия применимого в различных областях науки и техники, терминология в этой области не установилась, и в каждой частной области знаний, как правило, используется своя терминология.

Так, например, в системах автоматического регулирования широко применяются понятия отрицательной и положительной обратной связи, которыми определяется связь выхода системы с ее входом через усилительное звено с соответственно отрицательным или положительным коэффициентом усиления.

В теории электронных усилителей смысл этих терминов иной: отрицательной называется обратная связь, уменьшающая абсолютную величину общего коэффициента усиления, а положительной — увеличивающая ее.

В зависимости от способов реализации в теории электронных усилителей выделяют обратные связи по току, по напряжению и комбинированную.

В системы автоматического регулирования часто вводят дополнительные обратные связи, используемые для стабилизации систем или улучшения переходных процессов в них. Они иногда называются корректирующими и среди них выделяют жесткую (осуществляемую с помощью усилительного звена), гибкую (реализуемую дифференцирующим звеном), изодромную и т. п.

В различных системах можно всегда обнаружить замкнутую цепь воздействий. Например, на рис. 2 часть С системы действует на часть Д, а последняя снова на С. Поэтому такие системы называют также системами с замкнутой цепью воздействий, системами с замкнутым циклом или замкнутым контуром.

В сложных системах может существовать множество различных цепей обратных связей. В многоэлементной системе выход каждого элемента может, вообще говоря, воздействовать на входы всех остальных элементов, включая свой собственный вход.

Любое воздействие можно рассматривать с трех основных сторон: метаболической, энергетической и информационной. Первая связана с изменениями расположения, формы и состава вещества, вторая — с передачей и преобразованием энергии, а третья — с передачей и преобразованием информации.

В теории управления рассматривается исключительно информационная сторона воздействий. Таким образом, обратная связь может быть определена как передача информации о выходной величине системы на ее вход либо как поступление информации, преобразованной звеном обратной связи, с выхода на вход системы.

На применении обратной связи основан принцип устройства систем автоматического регулирования (САР). В них наличие обратной связи обеспечивает повышение помехоустойчивости из-за уменьшения влияния помехи (z на рис. 3), действующей в прямом тракте системы.

Если в линейной системе со звеньями, обладающими передаточными фциями Кх(р) и К2(р), снять цепь обратной связи, то изображение х выходной величины х определится следующим соотношением:

Если при этом требуется, чтобы выходная величина х в точности равнялась задающему воздействию х*, то общий коэффициент усиления системы К(р)= К1(р)К2(р) должен равняться единице, а помеха z должна отсутствовать. Наличие z и отклонение К(р) от единицы обусловливают возникновение погрешности е, т. е. разности

Если теперь замкнуть систему с помощью обратной связи, как показано на рис. 3, изображение выходной величины х будет определяться следующим соотношением:

Из соотношения следует, что при достаточно большом по модулю коэффициент усиления Кх(р) второе слагаемое пренебрежимо мало и, следовательно, влияние помехи z ничтожно. В то же время значение выходной величины х будет очень мало отличаться от значения задающего воздействия.

В замкнутой системе с обратной связью удается значительно уменьшить влияние помех по сравнению с разомкнутой системой, т. к. последняя не реагирует на действительное состояние управляемого объекта, «слепа» и «глуха» к изменению этого состояния.

Рассмотрим в качестве примера полет самолета. Если заранее с высокой точностью установить рули самолета так, чтобы он летел в заданном направлении, и жестко закрепить их, то порывы ветра и др. случайные и заранее непредвиденные факторы собьют самолет с нужного курса.

Исправить положение в состоянии только система с обратной связью (автопилот), способная сравнивать заданный курс х* с фактическим х и в зависимости от образовавшегося рассогласования изменять положение рулей.

О системах с обратной связью часто говорят, что они управляются ошибкой е (рассогласованием). Если звено Кх(р) представляет собой усилитель с достаточно большим коэффициентом усиления, то при определенных условиях, наложенных на передаточную функцию К2(р) остальной части тракта, замкнутая система остается устойчивой.

В этом случае погрешность е в установившемся режиме может быть сделана сколь угодно малой. Достаточно ей появиться на входе усилителя Кх(р), чтобы на его выходе образовалось достаточно большое напряжение и, которое автоматически компенсирует помеху и обеспечивает такое значение х, при котором разность e =х*—х была бы достаточно мала. Малейшее нарастание е вызывает несоизмеримо большее нарастание u . Поэтому любая (в практических пределах) помеха z может быть скомпенсирована и притом при сколь угодно малой величине погрешности е, шунтирующую тракт с большим коэффициентом усиления, часто называют глубокой.

Обратная связь в смешанных системах имеет место также и при функционировании сложных систем, состоящих из объектов различной природы, но действующих целенаправленно. Такими являются системы: оператор (человек) и машина, учитель и ученик, лектор и аудитория, человек и обучаемое устройство.

Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Автоматика и робототехника»! Узнавайте первыми о захватывающих новостях и увлекательных фактах из мира автоматизации: Автоматика и робототехника в Telegram

Обратная связь в усилителях

Обратная связь — это связь между электрическими цепями, при которой часть энергии выходного сигнала передается на вход (то есть из цепи с высоким уровнем сигнала в цепи с более низким).

Обратная связь оказывает заметное воздействие на характеристики и свойства усилителя. Данную связь вводят в схему усилителя с целью изменение ее свойств в необходимом направлении — внешняя обратная связь. Иногда обратная связь может возникнуть самопроизвольно. Например, причиной этого может быть физические особенности усилительного элемента — внутренняя обратная связь. Паразитная обратная связь появляется из-за паразитных связей (индуктивных, емкостных и т.п.).

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Определение 2

Усилитель — это устройство, которое предназначено для усиления интенсивности (мощности) сигнала, без изменения его вида.

Часть схемы усилителя и обратная связь при соединении между собой образуют замкнутый контур, который называется петлей обратной связи. Пример схемы такой связи изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Петля обратной связи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

K – коэффициент усиления усилителя; В — коэффициент передачи цепи обратной связи.

При конструировании и проектировании принимают ряд мер, направленных на ликвидацию или ослабление паразитной обратной связи. К основным способам относятся:

Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽

1. Организация параллельной обратной связи по выходу (обратная связь по напряжению). Данный способ подразумевает снятие энергии сигнала с выхода схемы параллельно нагрузке.
2. Организация последовательной обратной связи по выходу. (обратная связь по току). Данный способ подразумевает снятие энергии сигнала с выход схемы последовательно нагрузке. В этом случае напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному току.
3. Организация комбинированной обратной связи. Данный способ подразумевает использование комбинации последовательной и параллельной обратных связей. Такой способ в основном используется в многоканальных телекоммуникационных системах.

По количеству петель различают многопетлевые и однопетлевые обратные связи. Если в петле обратной связи, которая охватывает весь усилитель, присутствуют петли, охватывающие отдельные части и каскады усилителя, то данные цепи называются местными петлями обратной связи. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей изображены на рисунке ниже.

Рисунок 2. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 3. Примеры цепей обратной связи с разным количеством петлей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Влияние обратной связи на коэффициент усиления по напряжению и нестабильность усиления

Для оценки и анализа воздействия обратной связи на коэффициент усиления по напряжению будет рассмотрен последовательный способ введения сигнала, изображенный на рисунке ниже.

Рисунок 4. Последовательный способ введения сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для начала предполагается, что входное сопротивление (Zвх) бесконечно велико, поэтому:

Uвх. ист — Uвх. ос + Uсв = 0

Uвх. ист — сигнал источника; Uвх. ос — результирующий сигнал на входе усилителя; Ucв — выходное напряжение.

Таким образом результирующий сигнал на входе усилителя можно рассчитать по следующей формуле:

Uвх. ос = Uвх. ист + Ucв.

Выходное напряжение усилителя вычисляется по формуле:

Uвых. ос = К • Uвх. ос,

где, К — коэффициент усиления по напряжению.

Из данного уравнения понятно, что коэффициент усиления не изменяется, однако, по отношению к сигналу источника видоизменяется:

Uвых. ос = Кос • Uвх. ист.

Так как левые части двух выше представленных уравнений равны, то можно записать:

К / Кос. = Uвх. Ист / Uвх. ос. = F

где, F — возвратная разность.

И становится понятно, что коэффициент усиления по напряжению изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Учитывая, что:

Uвх. Ист = Uвх. ос – Uсв. и К /Кос. = Uвх. ист. / Uвх.ос. = F

F = (Uвх.ос. – Ucв.) / Uвх.ос. = 1 — (Uсв. / Uвх.ос.) =1 + Т

где Т — возвратное отношение.

Возвратное отношение является комплексной величиной, которая равна (после преобразования предыдущего уравнения):

Т = -(Uсв. / Uвых.ос.) • (Uвых.ос. / Uвх.ос. = -В • К

где В — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Модуль возвратного отношения характеризует изменение сигнала при прохождении им цепи обратной связи. Если возвратная разность больше единицы, то цепь называют отрицательной, а если меньше — положительной. Если цепь обратной связи отрицательная, то коэффициент усилителя с обратной связью будет уменьшаться:

Kос. = К /|F|= К / (1 + В • К)

Если цепь обратной связи положительная, то коэффициент усиления усилителя будет расти:

Кос. = К / |F|= К / (1 – В • К)

В групповых усилителях используется комбинированная глубокая отрицательная обратная связь (возвратная разность намного больше единицы), в таком случае коэффициент усиления усилителя будет равен:

Кос. = К / (1 + В • К) = 1 / В

Заметное влияние на коэффициент усиления оказывают дестабилизирующие факторы, к которым относятся:

1. Изменение влажности.
2. Старение усилительных элементов.
3. Изменение температуры.
4. Старение деталей схемы.

Количественное изменение коэффициента усиления из-за воздействия дестабилизирующих факторов характеризуют величину без обратной связи:

где, dK – дифференциал коэффициента усиления усилителя.

Нестабильность с обратной связью вычисляется по формуле:

dqсв = dKсв / Ксв

Подставляя в формулу для расчета коэффициент усиления при отрицательной обратной связи и продифференцировав его, получаем:

Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Таким образом, ясно, что отрицательная обратная связь стабилизирует усиление усилителя, снижая его нестабильность.

Обратная связь в схематическом представлении

• Сигнал обратной связи всегда снимается с выхода функционирующего объекта.
• Нередко она подается не только на вход системы, но и на ее промежуточную часть.
• При анализе поведения данного объекта или процесса обязательно учитывается основное воздействие, для корректировки которого и вводится обратная связь.

Изображенная на рисунке цепочка AB, используемая для передачи ОС, называется каналом обратной связи.

Эта цепь в различных вариантах исполнения электронных или электротехнических схем может быть выполнена в виде самостоятельного устройства (D). В подобных случаях принято говорить, что обратная связь реализуется через посредство системы «D».

Существующие разновидности

ОС – один из простейших способов стабилизации параметров преобразовательных устройств и основное понятие теории автоматического управления. Примеры реализации возможностей этого технического приема встречаются повсеместно и могут относиться к различным сферам человеческой жизни.

Обратная связь как особая процедура воздействия применима к следующим процессам:

• Преобразование сигналов в электрических цепях.
• Функционирование живых организмов.
• Развитие экономического сектора государства и т. п.

В каждом из этих направлений обратная связь поддерживает стабильность системы/процесса и повышает их защищенность от опасных внешних воздействий. Универсальность такого воздействия позволяет использовать его в практических применениях самого различного рода. В большинстве из них вводятся понятия «положительной» и «отрицательной» ОС, различающихся по способу своей реализации и достигаемому результату.

Положительная ОС улучшает параметры системы, ответственные за повышение эффективности ее работы (в электротехнике и электронике – за усиление сигнала). Отрицательная ОС, напротив, снижает эти показатели, но зато повышает устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям.

Обратная связь в усилительных электронных схемах

Первые попытки применения отрицательной ОС в усилительных схемах на лампах были предприняты еще в 1928 году. Тогда же группа авторов попробовала запатентовать этот вид управления усилительным трактом, но потерпела неудачу. Специалисты и эксперты не увидели в ней никакой пользы, поскольку отрицательное воздействие заметно снижало коэффициент усиления устройства.

Значительно позже был доказан следующий важный факт. Одновременно с ухудшением усилительных характеристик отрицательная ОС повышает устойчивость схемы к изменению питающего напряжения и к варьированию величины нагрузочного сопротивления. Все это приводило к заметному снижению нелинейных искажений и расширяло диапазон усиливаемых частот (другими словами – улучшало передаточные характеристики устройства).

Виды ОС в электронике

В зависимости от параметра, по которому реализуется ОС в усилительных электронных схемах, она может иметь следующие разновидности:

• По току.
• По напряжению.
• Комбинированная.

В первом случае в качестве регулируемого параметра усилительной цепи выбирается токовая составляющая, а во втором – напряжение на выходе и во входной цепи электронной схемы. При их использовании добиваются увеличения коэффициента усиления по току или напряжению соответственно (положительная ОС).

Если ставится задача повышения устойчивости работы схемы с одновременным снижением показателя усиления – применяется отрицательная обратная связь по тому или другому параметру. Для компенсации недостатка усиления данной схемы в нее, как правило, вводится еще один каскад. При третьем способе управления работой усилительного устройства в нем организуется ОС как по току, так и по напряжению.

ОС в живых организмах

В основу биологической самоорганизации человеческого тела заложена сложность и разветвленность его структуры, а также многообразие обратных связей, проявляющихся на всех уровнях. Отрицательные ОС, действующие на соматическом уровне, обеспечивают стабильность функционирования организма, а также его устойчивость к неблагоприятным воздействиям.

Обратные связи составляют основу таких важных регулирующих механизмов в теле человека, какими являются энергетический и метаболический баланс, гомеостаз, а также управление численностью существующих популяций. Наличие ОС в живом организме сам человек обнаружить не в силах. Как правило, мы не контролируем действия биологических механизмов внутри нас, поскольку они происходят без участия нашего сознания.

Проявления могут быть представлены в следующих формах:

• Внутренние процессы, благодаря которым количество содержащихся в теле веществ меняется в зависимости от его физического и соматического состояния.
• Действие механизма гомеостаза, обеспечивающее поддержание энергетического и метаболического баланса.
• Самостоятельное регулирование желудочного отделения соков, сопровождающееся возбуждением соответствующих желез и т. п.

В качестве характерного примера обычно рассматривается сердечная недостаточность, снижающая уровень кровоснабжения миокарда и ослабляющая его сокращения.

Помимо соматических связей в животном организме ОС проявляется и в его повседневном поведении. По утверждению «отца» кибернетики Н. Винера, ОС в сознании человека позволяют ему регулировать свое поведение, основываясь на полученном ранее жизненном опыте.

Для каких целей применяется обратная связь в электронике и электротехнике

В системах с АРУ ОС нередко используется в виде дополнительного управляющего воздействия, позволяющего повысить стабильность работы данной схемы или устройства. Одна из задач, решаемых с помощью обратной связи – снижение вредных влияний переходных процессов, протекающих в любой системе.

Необходимость в этом возникает практически во всех устройствах, что объясняется инерционностью происходящих в природе процессов. В электронике и электротехнике, в частности, переходные явления чаще всего наблюдаются в моменты включения и выключения устройства.

Электронные усилительные схемы

В электронных схемах с усилительным трактом обратная связь нередко выполняет функцию коррекции частотной характеристики устройства. Для этого она образуется частотно-зависимыми цепями, состоящими из реактивных элементов (индуктивностей и емкостей). В данном случае эти компоненты выполняют функцию фильтрующих цепочек, пропускающих колебания одних частот и не пропускающие другие.

При организации такой связи выделяют несколько типов избирательных схем, подразделяющихся на жесткие, гибкие и нелинейные цепи. Каждая из этих разновидностей может быть представлена соответствующей ей графической зависимостью.

ОС в электроприводах

Основные требования, предъявляемые к рабочим характеристикам современных электроприводов, это:

• Точность управления исполнительным узлом.
• Достаточное быстродействие.
• Постоянство статических и динамических показателей.

Выполнение этих требований невозможно без использования в схеме управления глубокой обратной связи по трем определяющим работу электропривода параметрам. К ним относятся передающий момент, угол его действия и величину ускорения при запуске двигателя.

Электропривод, охваченный глубокой ОС, как правило, состоит из следующих основных узлов:

• САУ (система управления).
• Трансформаторы тока, частоты и напряжения.
• Преобразователи энергии электросети в механическую (вращательную) форму.

Первая из этих составляющих при работе электропривода вырабатывает сигнал рассогласования, а также формирует управляющие воздействия с целью получения требуемых статических и динамических показателей.

Трансформирующий узел преобразует электрическую энергию сети по соответствующему параметру в сигналы для управления работой электродвигателя. Последний из перечисленных элементов, как правило, изготавливается в виде электродвигателя постоянного тока. В отдельных случаях в состав системы с ОС включают механическую часть передаточного устройства (редуктор) и сам объект управления. Помимо этого в ней может присутствовать и специальный измерительный узел, также охваченный глубокой ОС.

Похожие темы:

• Гальваническая развязка (Часть 1). Виды и работа
• Электрические цепи. Виды и составные части. Режимы работы
• Последовательное и параллельное соединение. Применение и схемы
• Активная и реактивная мощность. За что платим и работа

Обратная связь и операционные усилители

Понятие «обратная связь» (ОС) относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве «системы» может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге атомобилем-за выходными данными (положением машины и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.

Предварительные сведения об обратной связи

Отрицательная обратная связь — это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. «К нашему изобретению отнеслись так же, как к вечному двигателю» (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.

Обратная связь может быть и положительной , ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции, о которых мы немного поговорим в конце этой главы.

В большинстве случаев, рассматривая схемы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 10 5 -10 6 ) и меньшими выходными импе- дансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В). Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. ниже; входы обозначают ( + ) и (—), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе ( + ) становится более положительным, чем потенциал на входе (—), и наоборот. Символы « + » и «—» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС).

Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующий» и «неинвертирующий» , а не вход «плюс» и-вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем по мере необходимости будем изучать его более тщательно.

Обратная связь в электронных устройствах

Под обратной связью (ОС) понимают передачу части энергии усиленных колебаний из выходной цепи во входную. Цепь, по которой осуществляется такая передача энергии, называется цепью обратной связи. Если электрические колебания из выходной цепи поступают во входную цепь в фазе с электрическими колебаниями входного сигнала, то это положительная ОС (ПОС). При противофазности указанных электрических колебаний образуется отрицательная ОС (ООС). Цепь ОС вместе с частью схемы усилителя, к которой она подключена, образует замкнутый контур—петлю ОС. Петля ОС может охватывать один или несколько каскадов (рис.168). В первом случае ОС является местной, во втором — общей.

Рис.168. Структурная схема усилителя с обратными связями (β1 и β2 — коэффициенты передачи цепей ОС).

В зависимости от принципа действия и способа подачи во входную цепь обратная связь может быть различных видов. По принципу действия различают ОС по напряжению и ОС по току. При ОС по напряжению цепь ОС включается параллельно нагрузке Zн (рис.169, а). При этом напряжение обратной связи U OC оказывается пропорциональным выходному напряжению: U OC= β U ВЫХ, где β — коэффициент передачи цепи ОС. При ОС по току цепь ОС включается последовательно с нагрузкой усилителя (рис.169, б), а напряжение ОС оказывается пропорциональным току в цепи нагрузки, т. е

Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом. Если при коротком замыкании нагрузки напряжение ОС сохраняется, то имеет место ОС по току, если же оно обращается в нуль, то имеет место ОС по напряжению

Рис. 169. Виды ОС по принципу действия

Напряжение ОС может подаваться на вход усилителя либо последовательно с напряжением входного сигнала, либо параллельно. В первом случае обратная связь называется последовательной (рис.170, а), а во втором — параллельной (рис.170, б). Наибольшее распространение в усилительных устройствах получили следующие виды обратных связей: последовательная ОС по току; последовательная ОС по напряжению; параллельная ОС по напряжению.

Рис.170. Виды ОС по способу подачи напряжения ОС во входную цепь усилителя

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.005 с) .