سیستم های فیدبک مثبت و فیدبک منفی

 
 
تعریف فیدبک: هر گاه قسمتی از سیگنال خروجی در یک تقویت کننده به ورودی آن برگشت داده شود اصطلاحا گفته میشود که عمل فیدبک انجام داده شده است. اگر سیگنال برگشتی با سیگنال ورودی جمع شود، فیدبک را مثبت و اگر کم شود فیدبک را منفی می نامند.
ولتاژهای فیدبک سیگنال ها رو پردازش میکنن و ولتاژهای این مدلی رو میگن پردازشگرهای سیگنال. قسمت پردازشگر ولتاژ فیدبک ممکنه الکتریکی  یا الکترونیکی و دارای مدارهای خیلی ساده تا مدارهای پیچیده ای باشه.

آنالوگ ساده ای از مدارهای کنترل ولتاژ فیدبک میتونه از اجزای فردی یا مجزا مثل ترانزیستورها، خازن ها، مقاومت ها و ... استفاده کنه، یا میتونه مدار های یکپارچه و مبتنی بر میکروپروسسور ها رو بکار ببره تا ولتاژهای فیدبک دیجیتال پیچیده تری رو تشکیل بده.

همونطور که دیدیم، سیستم های با چرخه ی باز دارای انتهای باز هستن و در صورت بروز تغییرات در مدار و یا تحولاتی که در حین تغییر پارامترهای مدار مثل ثبات، درجه حرارت، تغییرات ولتاژ تغذیه و یا اختلالات خارجی که بوجود میاد، هیچ تلاشی برای جبرانشون نیست. تاثیرات ناپایدار این "چرخه های باز" میتونه حذف بشه و یا حداقل به طور قابل ملاحظه ای بوسیله ی ولتاژ فیدبک کاهش پیدا کنه.

ولتاژ فیدبک، یک سیستم بازخوردی است که تو این سیستم سیگنال خروجی نمونه برداری میشه و بعد دوباره به ولتاژ ورودی تبدیل میشه تا یه سیگنال خطا رو که سیستم رو تحت تاثیر قرار میده ایجاد کنه. تو سیستم چرخه ی بسته، فیدبک از یه زیر مدار ساخته شده که به قسمتی از سیگنال خروجی، این اجازه رو میده تا سیگنال ورودی موثر رو به شکل سیگنال پاسخگو تغییر بده تا بتونه بطور قابل توجهی، تفاوتی در پاسخ ایجاد شده در نبود فیدبک بوجود بیاره.

ولتاژهای فیدبک خیلی مفید هستن و بطور گسترده ای در مدارهای amplifier ، نوسانگر ها و سیستم کنترل پردازش، مانند سایر سیستم های الکترونیک، استفاده میشن. اما برای اینکه ولتاژ فیدبک به عنوان یه ابزار موثر در بیاد باید به عنوان یه سیستم کنترل نشده، تحت کنترل دربیاد، که در اینصورت یا نوسان میکنه و یا شکست میخوره. مدل پایه ی سیستم فیدبک رو به عنوان مثال در ادامه میبینین:
 
 
دیاگرام بلاک سیستم فیدبک:
حساسیت، کنترل و راه اندازی، مفهوم اصلی پشت یه سیستم کنترل فیدبک است و چند تا دلیل خوب موجوده که چرا تو مدار های الکترونیکی،  فیدبک اعمال و استفاده میشه:
•    ویژگی های مدار مثل دریافت و پاسخ سیستم رو میشه دقیقا کنترل کرد.
•    ویژگی های مدار میتونه مستقل از شرایط عملیاتی باشه مثل ولتاژ مورد نیاز یا تغییرات دمایی.
•    تحریف سیگنال بعلت ماهیت غیر خطی اجزای استفاده شده میتونه بشدت کاهش پیدا کنه.
•    پاسخ فرکانسی و پهنای باند یک مدار یا سیستم میتونه به راحتی با یه سری محدودیت ها کنترل بشه.
در حالیکه مدل های مختلفی از سیستم های کنترل وجود داره، تنها دو مدل از feedback control موجوده: فیدبک منفی و فیدبک مثبت.

سیستم های فیدبک مثبت:
در سیستم کنترل فیدبک مثبت، نقطه ی تنظیم و مقادیر خروجی، هر دو با هم بوسیله ی کنترولر به عنوان فیدبک اضافه شده که با جریان ورودی در ارتباطه. تاثیر فیدبک مثبت ( فیدبک احیا کننده) افزایش بهره وری سیستمه.

با این حال، در الکترونیک و سیستم های کنترل با فیدبک مثبت میتونه بازدهی سیستم رو خیلی ببره بالا که میتونه واکنش مدار نوسان رو هم بالا ببره، همونطور که مقدار سیگنال ورودی موثر افزایش پیدا میکنه.

یه amplifier الکترونیک مبتنی بر تقویت کننده های عملیاتی یا op-amp (Operational amplifier) میتونه مثال خوبی از سیستم فیدبک مثبت باشه.
 
 
کنترل فیدبک مثبت op-amp که میتونه بوسیله قسمت کوچیکی از سیگنال ولتاژ خروجی در Vout با توجه به ترمینال ورودی غیرمعکوس از طریق مقاومت فیدبک RF ، بدست بیاد.

اگه ولتاژ ورودی Vin مثبت باشه، amplifier های op-amp مثبت این سیگنال و سیگنال خروجی، مثبت تر میشن! بعضی از ولتاژهای خروجی بوسیله ی شبکه ی فیدبک به قسمت ورودی ولتاژ برمیگردن.

بدین ترتیب ولتاژ ورودی مثبت تر میشه و به همون مقدار ولتاژ خروجی هم بیشتر میشه.

به همین ترتیب، اگه ولتاژ ورودی Vin منفی باشه، عکسش اتفاق میفته و op-amp در خط عرضه ی منفیش اشباع میشه. بعدش میتونیم ببینیم که فیدبک مثبت به مدار اجازه نمیده تا مدار به عنوان amplifier عمل کنه و ولتاژ خروجی خیلی سریع تو یکی از خط های عرضه اشباع میشه.

توجه داشته باشین اگه GH = 1 باشه، Av بدست اومده برای سیستم برابر با بینهایت خواهد بود و مدار بصورت خودکار شروع به نوسان میکنه، که بعدش هیچ سیگنال ورودی ای برای حفظ این نوسان لازم نیست، اگه بخواین یه نوسانگر درست کنین این امر برای شما مفید خواهد بود.

با اینکه زیاد خوشایند به نظر نمیرسن، اما از این روش در لوازم الکترونیکی برای دریافت پاسخ بسیار سریع سوئیچینگ به یه وضعیت یا سیگنال استفاده میشه. مثالی که میشه درمورد استفاده ی فیدبک مثبت بهش اشاره کرد، تاخیر تو دستگاه یا سیستمیه که حالت خاصی رو حفظ میکنه تا زمانی که برخی از ورودی ها از اون آستانه ی از پیش تعیین شده عبور کنن. به این مدل از حرکت میگن "بی ثباتی" ! و اغلب همراه با گیت ها و دستگاه های سوئیچینگ مانند مولتی ویبراتورها هستن.

ما مشاهده کردیم که فیدبک مثبت یا فیدبک بازسازی کننده امکان بی ثباتی رو داخل سیستم بالا میبره که ممکنه باعث نوسان خودکار بشه، همونطور که فیدبک مثبت بصورت گسترده در مدار نوسان استفاده شده مانند نوسانگرها و مدارهای زمان سنج. برای جبران انرژی از دست رفته و جلوگیری از میرا بودن پالس ایجاد شده در نوسان ساز ها از فیدبک مثبت استفاده میشود.

سیستم فیدبک منفی:
در یه سیستم کنترل فیدبک منفی، نقطه ی تنظیم و مقادیر خروجی از هم دیگه جدا شدن، طوریکه فیدبک به صورت "غیر هم فاز با فاز ورودی" است (یعنی اگه فاز ورودی مثبت باشه، فید بک دارای فاز منفی خواهد بود و بالعکس). تاثیر فیدبک منفی، کم کردن بهره وری خروجی است. برای مثال اگه کسی از شما انتقاد کنه یا فیدبک یا بازخورد منفی ای رو در مورد چیزی بهتون بگه، در مورد خودتون احساس ناراحتی میکنین و ازاینرو باعث میشه که انرژیتون کم بشه و کمتر احساس مثبتی داشته باشین.

چون فیدبک منفی پاسخ های پایدار مدار رو تولید میکنه، پایداری رو تقویت و پهنای باند عملیات رو افزایش میده، اکثر سیستم های فید بک و کنترل فید بک  تاثیراتی که به بهره وری مدار وارد میشه رو کاهش میده.

یه مثال ساده از سیستم فیدبک منفی، میشه به یه amplifier الکترونیکی مبتنی بر تقویت کننده های عملیاتی که در شکل زیر میبینین اشاره کرد:
 
 
سیستم کنترل فیدبک منفی amplifier از طریق قسمت کوچیکی از سیگنال ولتاژ خروجی در Vout با توجه به ترمینال ورودی معکوس بوسیله ی مقاومت فیدبک Rf ، بدست میاد.

اگه ولتاژ ورودی Vin مثبت باشه، op-amp amplifier ها نیز سیگنال مثبتی خواهند داشت.  اما به علت متصل بودنش با جریان ورودی معکوس amplifier ، جریان خروجی هم منفی تر میشه. بعضی از این ولتاژهای خروجی بوسیله ی شبکه ی فیدبک Rf به ورودی برگردونده میشن.

به این ترتیب ولتاژ ورودی از طریق سیگنال فیدبک منفی کاهش پیدا میکنه که باعث ایجاد ولتاژ خروجی خیلی کوچیک و ضعیفی میشه. در نهایت هم ولتاژ خروجی در مدار مستقر میشه و در مقداری که توسط ضریب Rf ÷ Rin مشخص شده تثبیت میشه.

به این ترتیب اگه ولتاژ ورودی Vin منفی باشه، فرایند وارونگی بوجود میاد و ولتاژ خروجی op-amps مثبت میشه (قبلش منفی بوده که در اثر وارونگی مثبت شده) که به سیگنال منفی ولتاژ ورودی اضافه میشه. بعدش میبینیم که فیدبک منفی به مدار اجازه میده تا به عنوان یه amplifier عمل کنه، البته تا زمانی که ولتاژ خروجی در محدوده ی اشباع شده باشه.

برای درک بهتر یه مثال ساده براتون میاریم: وقتی جریانی در یک تقویت کننده برقرار میشه، حرارتی در المان های مدار تقویت کننده ایجاد میشه. حرارت ایجاد شده خود باعث افزایش جریان میشه و متعاقبا این افزایش جریان حرارت بیشتری رو باعث میشه، این چرخه بقدری ادامه پیدا میکنه تا المان های اصلی تقویت کننده بر اثر دمای زیاد میسوزن. برای جلوگیری از این معضل از فیدبک منفی استفاده میشه بطوریکه نمونه ای از سیگنال خروجی را تغییر فاز داده و به ورودی اولیه ی مدار تقویت کننده اعمال میکنن تا میزان جریان خروجی کاهش یافته و پایداری و ثبات در مدار برقرار گردد.

از فیدبک منفی در amplifier و سیستم های کنترل پردازش بیشتر استفاده میشه، چون به عنوان یه قانون، سیستم فیدبک منفی پایدارتر از سیستم فیدبک مثبت است، و گفته میشه اگه یه سیستم با فیدبک منفی بوسیله ی خودش تو هر فرکانسی دچار نوسان نشه، این فیدبک پایدار خواهد بود، بجز در شرایط خاصی که در مدار بوجود میاد.

مزیت دیگه ای که فیدبک منفی داره باعث میشه تا کنترل سیستم در برابر تغییراتی که در اجزا و ولتاژ ورودی بوجود میاد ایمن تر باشه. میدونیم که هر عملی عکس العملی داره، پس حواستون باشه که سیستم فیدبک منفی بطور قابل توجهی ویژگی های عملیاتی یه سیستم رو تغییر میده.

طبقه بندی سیستم های فیدبک:
تا به الان دیدیم که سیگنال خروجی به ترمینال ورودی باز پس فرستاده میشه، که این عمل میتونه هم در سیستم فیدبک منفی وهم در سیستم فیدبک مثبت انجام بشه. اما روشی که باهاش سیگنال خروجی اندازه گرفته میشه و به عنوان ولتاژ ورودی مدار معرفی میشه میتونه به چهار طبقه بندی بسیار متفاوت از فیدبک تقسیم بشه.

بر اساس مقدار ورودی تقویت شده، و با توجه به شرایط خروجی مورد نظر، متغیرهای ورودی و خروجی میتونن بصورت ولتاژ و یا بصورت جریان در بیان. درنتیجه سیستم فیدبک تک چرخه ای به چهار مدل پایه طبقه بندی میشه که در این طبقه بندی ها سیگنال خروجی به ورودی برگردونده میشه. این طبقه بندی شامل:

•    Series-Shunt Configuration : ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی یا ولتاژ کنترل شده ی منبع ولتاژ (VCVS).
•    Shunt-Shunt Configuration : جریان ورودی و ولتاژ خروجی یا جریان کنترل شده ی منبع ولتاژ (CCVS).
•    Series-Series Configuration : ولتاژ داخلی و جریان خروجی یا ولتاژ کنترل شده ی منبع جریان (VCCS).
•    Shunt-Series Configuration : جریان ورودی و جریان خروجی یا جریان کنترل شده ی منبع جریان (CCCS).

این نام گذاری ها بر اساس شیوه ای که شبکه ی فیدبک بین جریان ورودی و جریان خروجی شکل گرفته نام گذاری شده که در تصاویر زیر نشون دادیم.
 

سیستم فیدبک Series-Shunt : این نوع از سیستم فیدبک اسم دیگش series voltage feedback (فیدبک ولتاژ سری) است، و به عنوان ولتاژ- ولتاژ کنترل شده ی سیستم فیدبک عمل میکنه. ولتاژ خطا باز پس فرستاده شده از شبکه ی فیدبک با ولتاژ ورودی بصورت سری است. ولتاژی که از ولتاژ خروجی باز پس فرستاده شده متناسب با خود ولتاژ خروجی است، همونطور که Vo موازیه یا shunt شانت متصله.

برای اتصال series-shunt ، configuration یا پیکربندی به عنوان ولتاژ خروجی Vout ، و Vin به عنوان ولتاژ ورودی، تعریف میشه. بیشتر مدارهای معکوس کننده و غیرمعکوس کننده،  با فیدبک series-shunt کار میکنن و ولتاژی رو به عنوان ولتاژ amplifier یا ولتاژ تقویت کننده تولید میکنه. به عنوان ولتاژ تقویت کننده، مقاومت ورودی ایده آل (Rin) مقدار خیلی زیاد، و به عنوان مقاومت خروجی (Rout) مقدار خیلی کوچیکیه.

سپس پیکربندی فیدبک series-shunt به عنوان تقویت کننده ی حقیقی ولتاژ وارد عمل میشه همونطوری که سیگنال ورودی و خروجی هر دو بصورت ولتاژ هستن، درنتیجه تابع انتقال بصورت Av = Vout ÷ Vin خواهد شد. توجه داشته باشین که این مقدار، همونطورکه واحدش ولتاژ/ولتاژ (V/V) است، کمیتی بدون بعد می باشد!

سیستم فیدبک Shunt-Series : این سیستم که به اسم  shunt current feedback ، فیدبک جریان shunt نیز شناخته میشه، به عنوان سیستم فیدبک جریان-جریان کنترل شده نیز عمل میکنه. سیگنال فیدبک با جریان خروجی متناسبه و Io هم دارای جریانه. سیگنال فیدبک بصورت موازی یا shunt با جریان ورودی باز پس فرستاده میشه.  
 
 
برای اتصال سری شانت shunt-series ، پیکربندی بصورت جریان خروجی Iout ، و Iin  به شکل جریان ورودی تعریف میشه. در پیکربندی فیدبک سری شانت سیگنال باز پس فرستاده شده موازی با سیگنال ورودی است و باعث ایجاد جریان میشه.

از وقتی که برای یه ولتاژ خروجی، یه ولتاژ ورودی مورد نیازه، این اتصال موازی فیدبک شانت، تاثیر چندانی روی ولتاژ دریافتی سیستم نداره. همچنین اتصالات سری در قسمت خروجی، مقاومت خروجی رو افزایش میده (Rout) ، درحالیکه اتصال شانت در قسمت ورودی، مقاومت ورودی رو کاهش میده (Rin) .

پیکربندی فیدبک سری شانت به عنوان یه جریان حقیقی amplifier عمل میکنه، همونطور که سیگنال ورودی و سیگنال خروجی به عنوان یه جریان محسوب میشن، درنتیجه تابع انتقال برابر است با Ai = Iout ÷ Iin .

سیستم فیدبک Series-Series : این سیستم که به اسم فیدبک جریان سری نیز شناخته میشه، به عنوان ولتاژ-جریان کنترل شده ی سیستم فیدبک عمل میکنه. در پیکربندی جریان سری، سیگنال خطای فیدبک بصورت سری با ورودی است و متناسب با جریان بار lout است. در واقع این مدل از فیدبک، سیگنال جریان رو به ولتاژی که بازپس فرستاده شده تبدیل میکنه و این همون ولتاژیه که از ورودی کم شده بود.
 
 
برای اتصال سری-سری series-series connection ، پیکربندی به عنوان جریان خروجی lout ، به ولتاژ ورودی Vin تعریف میشه. بخاطر جریان خروجی، lout در اتصال سری، به عنوان یه ولتاژ بازپس فرستاده میشه که این خودش باعث افزایش مقاومت داخلی ورودی و خروجی سیستم میشه. بنابراین مدار به عنوان یه ترانس کوانتومی با مقاومت ورودی ایده آل (Rin) و مقاومت خروجی ایده آل (Rout) که هر دو مقادیر بزرگی هستن، کار میکنه.

سپس عملکرد پیکربندی فیدبک سری-سری series-series feedback configuration به  عنوان سیستم amplifier از نوع ترانس کوانتومی است که سیگنال ورودی بصورت یه ولتاژ و سیگنال خروجی بصورت یه جریان است. تابع انتقال برای مدارفیدبک سری-سری برابر است با: Gm = Iout ÷ Vin .

سیستم فیدبک Shunt-Shunt : این سیستم که با اسم فیدبک ولتاژ شانت shunt voltage feedback شناخته میشه و به عنوان جریان-ولتاژ کنترل شده ی سیستم فیدبک عمل میکنه. در پیکربندی فیدبک شانت-شانت shunt-shunt feedback configuration ، سیگنال بازپس فرستاده شده موازی با سیگنال ورودی است.
 
 
 
برای اتصال شانت-شانت ، پیکربندی بصورت ولتاژ خروجی Vout به جریان ورودی Iin تعریف میشه. وقتی ولتاژ خروجی به عنوان جریان، به پورت هدایت جریان ورودی بازپس فرستاده میشه، اتصالات شانت در ترمینال های ورودی و خروجی، مقاومت درونیشون کاهش پیدا میکنه. از اینرو سیستم به عنوان سیستم ترانس مقاومتی با مقاومت ورودی ایده آل (Rin) و مقاومت خروجی ایده آل (Rout) که هر دو مقدار خیلی خیلی کمی هستن عمل میکنه.

سپس پیکربندی ولتاژ شانت به عنوان تقویت کننده ولتاژ روی مقاومت ترانس transresistance کار می کنه بطوریکه سیگنال ورودی به عنوان جریان، و سیگنال خروجی به عنوان یه ولتاژ است.

خلاصه ی سیستم های فیدبک:
دیدیم که یه سیستم فیدبک شامل سیگنال خروجیه که برای بوجود آوردن سیگنال خطا ( سیستم رو به کار میندازه) به سمت ورودی بازپس فرستاده میشه، و با توجه به سیستم فیدبک مورد استفاده، فیدبک سیگنال که با سیگنال ورودی سیستم میکس شده، میتونه یه ولتاژ و یا یه جریان باشه.
فیدبک همیشه عملکرد سیستم رو عوض خواهد کرد و تنظیمات فیدبک میتونه مثبت و یا منفی باشه. اگه چرخه ی فیدبک تو سیستم، چرخه ی فیدبک منفی ای رو بوجود بیاره گفته میشه که فیدبک منفی  یا دارای فیدبک تخریب کننده است.

اگه  چرخه ی فیدبک موجود در سیستم مثبت باشه میگن که سیستم دارای فیدبک مثبت و یا دارای فیدبک احیا کننده و یا دارای فیدبک بازسازی کننده است. تاثیر فیدبک مثبت افزایش بهره وری سیستمه که باعث میشه سیستم ناپایدارتر و نوسانات بیشتری رو هم داشته باشه مخصوصا اگه GH = -1 است.
همچنین دیدیم که نمودارهای بلاک میتونه برای نشون دادن انواع سیستم های فیدبک استفاده بشه. در نمودارهای بالا، ورودی و خروجی میتونه هم ولتاژ باشه و هم جریان، و همینطور 4 مدل از ترکیب این ولتاژ ها و جریان ها هستن که مدل های مختلف سیستم فیدبک رو تشکیل میدن که شامل: فیدبک ولتاژ سری، فیدبک ولتاژ شانت، فیدبک جریان سری و فیدبک جریان شانت.

در مورد نام گذاری باید بگیم که این سیستم ها بر اساس نحوه ی اتصال شبکه ی فیدبک (موازی یا شانت و یا سری بودن این شبکه) بین ورودی و خروجی، نام گذاری میشن.

این هم از مقاله ی امروز blush امیدوارم که قابل فهم و همچنین مفید بوده باشه wink

منبع: electronics-tutorials.ws
ترجمه: نسیما بابکی
تاریخ تدوین آموزش: 20 مهر 1396
بهینه سازی و تکمیل: Dr-Bios.com

 
نظرات