A negatív visszacsatolás ( NFB ) egyfajta visszacsatolás , amelyben a rendszer kimeneti jelének változása olyan változáshoz vezet a bemeneti jelben, amely ellensúlyozza az eredeti változást.
Más szóval, a negatív visszacsatolás a rendszer kimenetének olyan befolyása a bemenetre („fordított”), amely csökkenti a bemeneti jel hatását a rendszerre.
A negatív visszacsatolás ellenállóbbá teszi a rendszert a véletlenszerű paraméterváltozásokkal szemben.
A rendszerek matematikai elemzésének módszereit, beleértve a negatív visszacsatolás által lefedetteket is, az automatikus vezérlés elmélete részletesen tárgyalja .
Az egyik legegyszerűbb példa a legegyszerűbb leeresztő tartály eszköze. Ahogy a leeresztő tartály megtelik, megemelkedik benne a vízszint, ami az úszó lebegéséhez vezet, ami akadályozza a további vízáramlást.
A negatív visszacsatolás nagy jelentőséggel bír az energiatermelésben az energiaminőségi paraméterek - feszültség és frekvencia - stabilizálása érdekében . Amikor az elektromos terhelés ingadozik, a generátor tekercselése és a kimenő vezetékek feszültségesése megváltozik, azaz változik a generátor kimeneti feszültsége, és gyakran változik a generátor fordulatszáma is , különösen akkor, ha a generátort nem segédegységként szerelik fel (pl. , autó- vagy repülőgépmotoron), a az erőmű vagy a dízelmozdony főgenerátora , és teljesítményének ingadozása nagy hatással van a hajtómotorra. A fordulatszám ingadozása esetén a generátor feszültsége is változik, mivel a generátor EMF arányos a fordulatszámmal , és ha a generátor váltakozó áramot termel , akkor a frekvenciával. Ezért szinte minden áramellátásra használt generátorral párhuzamosan (ez nem tartalmazza a tachogenerátorokat és más speciális elektromos gépeket) egy vagy több negatív visszacsatolású szabályozó működik.
A feszültségszabályozó (PH) szinte mindig szabályozza a generátor gerjesztését (mágneses fluxusát) a gerjesztő tekercsben (induktor) lévő áram szabályozásával - amikor a feszültség csökken, a szabályozó növeli a gerjesztőáramot, a generátor EMF növekszik és a feszültség restaurált; a feszültség növelésekor fordított folyamat megy végbe. A PH magába a generátorba telepíthető, mint a legtöbb modern autógenerátorban - a szabályozó egy házban készül, kefékkel, amelyek gerjesztőáramot biztosítanak a rotornak (a zsargonban ezt az egységet "tablettának" nevezik a jellegzetes forma miatt a szabályozóházból) külön is felszerelhető - például a legtöbb repülőgépen a generátorok a hajtóművekre vannak felszerelve, azaz nyomásmentes helyen, és a vezérlőegységek a törzsben vannak a kapcsolóberendezés közelében , azaz a negatív visszacsatolás figyelembe kell venni a feszültségesést mind a generátor tekercselésein, mind a generátortól a kapcsolóberendezésig tartó vezetékeken.
A frekvenciaszabályozók a hajtómotorok sokfélesége, valamint a generátor és a motor teljesítményaránya miatt nagyon eltérőek. Bizonyos esetekben elegendő a hajtómotor saját szabályozójának működése, például egy befecskendező motor alapjárati szelepe vagy egy dízel szabályozó - ebben az esetben a generátor egyáltalán nem szerepel a környezetvédelmi áramkörben, a motorszabályozó , a fordulatszám csökkenésének (a generátor terhelésének növekedésével) vagy a sebesség növekedésének (a terhelés csökkenésével) észlelése növeli vagy csökkenti az üzemanyag-ellátást. Más esetekben a motort és a generátort egy vagy másik visszacsatolás köti össze - például egy reosztát van beépítve a dízelmotorok szabályozóiba (például a ChME3 szabályozóba ) vagy egy induktív érzékelő (a 2TE116 szabályozóba stb.). ), amely a dízelmotor erős terhelése esetén csökkenti a főgenerátor gerjesztését , védve a dízelt a túlterheléstől.
Ezenkívül lehet egy vagy másik frekvenciaszabályozó eszköz a motor és a generátor között - például az APA-50 repülőtéri áramforrás kialakítása változó töltőfolyadék-csatlakozót tartalmaz , és a fő hajtóművekre szerelt repülőgép generátorokat gyakran felszerelik állandó sebességű hajtások . A PPO lehet tisztán mechanikus (levegő PPO-40, hidrosztatikus GP21 ), vagy elektromos vezérlésű - például a Tu-154M , Il-76 és néhány más repülőgépen vannak BRCH-62 frekvenciavezérlő egységek, amelyek beállítják a PPO-t, amikor a generátorok frekvenciája eltér a névlegestől (400 Hz).
A negatív visszacsatolást széles körben használják a mozdonyok vontatási hajtásaiban . A legegyszerűbb példa egy gerjesztő (egy kis generátor, amely a főmotorok gerjesztőáramát állítja elő) összetett tekercselése. A fő (független) gerjesztőtekerccsel együtt a gerjesztő pólusaira van feltekerve, és a vontatómotorok árama folyik rajta , de az áram iránya olyan, hogy a mágneses fluxusa a fő áramlásával szemben hat. kanyargó. Ha a motorok árama kicsi, akkor annak nincs nagy hatása a keletkező gerjesztési fluxusra, de az áramerősség növekedésével az anti-vegyület tekercs fluxusa növekszik és a keletkező fluxus csökken. Ennek eredményeként csökken a gerjesztő feszültsége, és ezzel együtt a vontatómotorok árama is.
Ez a környezetvédelem fontos a dízelmozdonyokon, hogy megakadályozzák a berendezések bebokszását és túlterhelését, a VL8 , VL10 , VL11 és más elektromos mozdonyokon , ahol a hajtóművek elektromos fékezése (rekuperáció) során történő gerjesztésére egy összetett tekercselésű átalakító van beépítve . megcsúszás és a berendezés túlterhelése. Ha a rekuperáció során az érintkező hálózat feszültsége hirtelen lecsökken (egy másik villamos mozdonyon bekapcsolják a vontatást, kikapcsolják az alállomást), akkor a rekuperációs áram erősen megnő, mivel a feszültségkülönbség az érintkező hálózat és a vontatómotorok között A generátor üzemmód növekszik, és az áramerősséggel a fékezőerő is növekszik, egészen a keréktárcsák meghibásodásáig . De az anti-vegyület tekercsen átfolyó áram csökkenti az átalakító feszültségét, a gerjesztőáramot és ennek következtében a motorok feszültségét, csökkentve a hálózat és a motorok közötti feszültségkülönbséget. A fordított folyamat történik, amikor a hálózati feszültség növekszik.
A dízelmozdony-generátorok gerjesztőrendszereiben, amelyek összetettebbek, mint a több tekercses gerjesztővel rendelkező rendszer, számos környezetvédelmi áramkör van - áram (egyik vagy másik kivitelű áramérzékelőn végrehajtva), feszültség (védi a berendezést a a főgenerátor túlzott feszültségnövekedése), boxolás (bokszoláskor, azaz egy vagy több kerékkészlet forgási sebességének növekedése a sínekhez való tapadás elvesztése miatt csökkenti vagy teljesen eltávolítja a generátor gerjesztését) stb. .
Harold Black volt az első, aki az elektronikában használta a negatív visszacsatolás ötletét az interkontinentális távközlés erősítésének linearitásának javítására. Az ötlet lényege, hogy az erősítés egy részét feláldozzuk a kimeneti jel linearitásának javítása érdekében. A klasszikus elektronikus jelerősítők ( elektronikus cső , térhatású tranzisztor stb.) nemlineáris torzításokat vezetnek be a hullámformába. Ezért, ha a bemeneti jelből kivonjuk a kimenő jel hányadát osztva az erősítéssel , megkaphatjuk magának a nemlineáris torzításnak az alakját. Ezután a bemeneti jel fordított torzításával kompenzált jelet érhet el, amely az erősítőn áthaladva csökkenti a nemlinearitást.
A negatív visszacsatolás alkalmazásának szemléltető példája a műveleti erősítőn (op-amp) alapuló stabil erősítésű erősítő felépítése.
Adjunk meg valamilyen műveleti erősítőt körülbelül 10 6 erősítéssel . Erre a műveleti erősítőre alapozva legalább 5 kOhm bemeneti impedanciájú és 3-as erősítésű erősítőt kell építeni (nem invertáló erősítőhöz K=1+R2/R1). Ehhez az op-amp invertáló bemenetére egy , a szükséges bemenetnél valamivel nagyobb ellenállású (mondjuk 7 kOhm) ellenállást, a visszacsatoló áramkörbe pedig egy 2-szer nagyobb névleges értékű ellenállást helyezünk. . Az analitikai képlet azt mutatja, hogy az erősítők felépítésének ez a módja közelítő, azonban az erősítés nagy értéke miatt az alkalmazott feltételezésekből származó hiba kisebb, mint a gyártási elemek pontatlanságából.
Az NFB általában jó teljesítményt ad az erősítőnek, de ez általában csak egyenáramú vagy alacsony frekvenciájú erősítésre igaz. Mivel a frekvencia növekedésével az erősítő által bevezetett késleltetés jelentős fáziseltolódást kezd adni az erősített jelben, az OOS nem működik a számítás szerint. Ha tovább növeljük a frekvenciát, akkor amikor a késleltetés körülbelül a jelperiódus fele lesz (azaz kb. 180 fokos fázis), akkor az OOS POS , az erősítő pedig generátorrá válik. Ennek elkerülése érdekében az NFB áramkört frekvenciafüggővé kell tenni.
Mikrohullámú erősítőkben a visszacsatolás nem alkalmazható, ezért nagyon nehéz stabilizálni a mikrohullámú kaszkádok erősítését . Ha azonban nem az erősítést, hanem a kimeneti jel amplitúdóját (teljesítményét) kell stabilizálni, ez könnyen megvalósítható AGC formájában .
Az OOS -t feszültségstabilizátorokban használják (nem minden esetben).
A negatív visszacsatolást széles körben alkalmazzák a szervezet különböző szintjein lévő élő rendszerek – a sejtektől az ökoszisztémákig – a homeosztázis fenntartására . Például a sejtekben a gének működését szabályozó számos mechanizmus (például a triptofán operon ) a negatív visszacsatolás elvén alapul , valamint az enzimek munkájának szabályozásán ( az anyagcsereút gátlása a végére). termék). A szervezetben a hipotalamusz-hipofízis funkciók szabályozásának rendszere ugyanazon az elven , valamint számos idegi szabályozási mechanizmuson alapul, amelyek támogatják a homeosztázis egyéni paramétereit (hőszabályozás, a szén-dioxid és a glükóz állandó koncentrációjának fenntartása a vérben, stb.). A populációkban a negatív visszacsatolások (például a népsűrűség és az egyedek termékenysége közötti fordított kapcsolat) biztosítják a számok homeosztázisát. A negatív visszajelzések felhasználhatók az elhízásban szenvedő személyek testtömegének normalizálására , amelyhez a diéta kalóriatartalmát időszakonként (például hetente) módosítják a testtömeg dinamikájának követésével.
Az élő szervezetekben a negatív visszacsatolás azon elv szerint történik, hogy a receptor (detektor) irritációt kap a környezetből, és az idegrendszer segítségével jelet továbbít a test egyik vagy másik részének irritációjáról a szabályozónak. Ezután az irritációról szóló információ továbbítódik az effektorhoz , amely hormonokat bocsát ki a vérbe. Így a szervezetben az eltérés normalizálódik. Ezt az elvet a vér tiroxinszintjének szabályozásának példáján lehet figyelembe venni.
Élő testben, akárcsak egy önműködő gépben, a szabályozók nyilván csak automatikusak lehetnek, pl. a gép (organizmus) állapotában vagy menetében megváltozott körülmények hatására működésbe lép, és olyan tevékenységeket fejleszt ki, amelyekkel ezeket a szabálytalanságokat kiküszöbölik” – írta I. M. Sechenov még 1897-ben, előrevetítve a kibernetika előírásait az önszabályozás mechanizmusairól a szervezetben. emberi test.
Így I. M. Sechenov megfogalmazta a „negatív visszacsatolás” elvét, amely egy gépben és egy élő szervezetben az automatikus vezérlés folyamatainak hátterében áll.