ردود فعل سلبية في مجال الالكترونيات

يتمتع نظام التغذية الراجعة بمزايا متعددة مقارنة بالأنظمة التقليدية. فهو يساعد على تحسين كسب الإخراج للدائرة ويزيد من الاستجابة الخطية للدائرة. كما أنه يقلل من فرص تشوهات الإشارة التي تحدث بشكل رئيسي بسبب إشارات الضوضاء.

تستخدم أنظمة التغذية المرتدة في الغالب في دوائر مكبر الصوت، وأنظمة التحكم القائمة على المخرجات، ودوائر المذبذب. أنظمة التغذية الراجعة لها نوعان: إيجابي ردود الفعل و سلبي تعليق. ستركز هذه المقالة كثيرًا على النوع الأخير من التعليقات.

مخطط سريع:

• ما هو نظام ردود الفعل السلبية في الالكترونيات
• دائرة ردود الفعل السلبية
• وظيفة نقل ردود الفعل السلبية
• ردود فعل سلبية في مكبرات الصوت التشغيلية
• مثال 1
• مثال 2
• مثال 3
• الفرق بين أنظمة التغذية الراجعة الإيجابية والسلبية
• تطبيقات وخصائص نظام التغذية الراجعة السلبية
• تأثير ردود الفعل السلبية على عرض النطاق الترددي
• خاتمة

ما هو نظام ردود الفعل السلبية في الالكترونيات

ردود الفعل السلبية في الدائرة الكهربائية هي آلية تحكم تعمل على استقرار وتنظيم عمليات الدائرة الكهربائية. تأخذ الدوائر ذات أنظمة التغذية المرتدة السلبية المتكاملة إشارة الخرج وتعطيها للمدخل على شكل إشارة معارضة الطور (المقلوبة). . يعمل نظام التغذية المرتدة هذا على تقليل أي انحرافات أو أخطاء في إشارات الإخراج.

ويطلق على ردود الفعل السلبية أيضا ردود الفعل التنكسية . في ردود الفعل السلبية، يتم طرح إشارة الخرج القادمة كردود فعل من إشارة الإدخال المرجعية. ينتج عن الإخراج خطأ يعرف باسم كسب ردود الفعل . ستعمل إشارة الخطأ هذه التي تم إنشاؤها بعد الطرح على تعديل استجابة النظام وفقًا لذلك. إذا كان كسب النظام إيجابيًا، فيجب طرح إشارة التغذية المرتدة القادمة من الإخراج من إشارة الإدخال المرجعية للحفاظ على ردود الفعل سلبية.

عندما تكون ردود الفعل السلبية مطروحًا من المدخلات المرجعية، فإنه يجعل النظام أكثر استقرارا. لنفترض أن هناك نظامًا يُظهر سلوكًا غير عادي، ولمواجهة هذا التغيير، سيقوم النظام بتوليد إشارة خرج. تتعارض إشارة الإخراج أو التغذية المرتدة هذه مع إشارة الإدخال، مما يؤدي إلى تعديل الإدخال وفقًا لذلك لجعل النظام العام يعمل بكفاءة.

دائرة ردود الفعل السلبية

يتم توضيح دائرة ردود الفعل السلبية في الصورة أدناه. هنا يمكنك رؤية إشارة الخرج يتم إرجاعها إلى جانب الإدخال كردود فعل. على جانب الإدخال، يتم إنشاء فرق بين الإشارة المرجعية وفرق إشارة التغذية الراجعة، مما يدفع النظام إلى أبعد من ذلك.

1. المكونات : تتكون الدائرة من عنصرين رئيسيين:

• مكبر للصوت مع كسب G.
• حلقة ردود الفعل مع عامل ردود الفعل β.

إشارة الإدخال هي V _في وخرج مكبر الصوت هو V _خارج .

2. تلخيص مفرق : عند مدخل مكبر الصوت، يوجد وصلة جمع (غالبًا ما يتم تمثيلها بدائرة بداخلها علامة الطرح). سوف يقوم هذا الوصل بطرح إشارة التغذية المرتدة من المدخلات المرجعية. الجزء المطروح هو حاصل ضرب عامل التغذية المرتدة β وخرج Vout، وبالتالي فإن إشارة الخطأ هي V _في – بف _خارج .

3. حلقة ردود الفعل : إشارة الخطأ هذه (V _في – بف _خارج ) هو ما يحرك النظام. وهو يمثل الفرق بين المدخلات المطلوبة V _في والإخراج الفعلي V _خارج تحجيمها بواسطة عامل ردود الفعل β.

4. ردود فعل سلبية : المفهوم الأساسي هنا هو ردود الفعل السلبية. عندما يكون الإخراج V _خارج التغييرات بسبب أي اضطرابات أو تغييرات في المدخلات V _في إشارة الخطأ (Vin – βV _خارج ) أنشئ. سيتم تضخيم إشارة الخطأ المحسوبة بواسطة مكبر الصوت مع الكسب G وتغذيتها مرة أخرى في تقاطع الجمع. والأهم من ذلك أن هذه التعليقات سلبية لأنها يتم طرحها من المدخلات.

• إذا كان V _خارج يزيد (أي أن خرج النظام أعلى من المطلوب) تقلل ردود الفعل من الخطأ في جلب V _خارج العودة نحو القيمة المطلوبة.
• إذا كان V _خارج النقصان (أي أن خرج النظام أقل من المطلوب) تزيد ردود الفعل من خطأ القيادة V _خارج النسخ الاحتياطي نحو القيمة المطلوبة.

5. معادلة التغذية الراجعة العامة : عادة ما يتم التعبير عن معادلة التغذية الراجعة العامة لهذا النظام بـ

ترتبط هذه المعادلة بالإخراج V _خارج إلى المدخلات Vin وعامل التغذية المرتدة β من خلال كسب مكبر الصوت G. يوضح كيف يستخدم النظام ردود الفعل السلبية لتنظيم الإخراج والتحكم فيه لمطابقة الإدخال المطلوب.

وظيفة نقل ردود الفعل السلبية

تحدد دالة النقل معادلة تمثل العلاقة بين المدخلات والمخرجات. يخبرنا كيف تؤثر التغييرات في المدخلات على المخرجات. في ردود الفعل السلبية، لدينا إشارة وسيطة ممثلة بـ Z. تمثل هذه الإشارة المتوسطة الفرق بين الإخراج والإدخال.

ل وظيفة النقل معادلة التغذية الراجعة السلبية، يتم استخدام Z لحساب إشارة الخطأ أو التصحيح اللازم لتقريب النظام من قيمة الإخراج المطلوبة.
يوضح الرسم التخطيطي التالي نظام التغذية الراجعة السلبية. باستخدام هذا الرسم البياني، يمكننا حساب دالة النقل لنظام ردود الفعل السلبية:

إن مخرجات نظام التغذية المرتدة السلبية تساوي Y(s):

ردود فعل سلبية في مكبرات الصوت التشغيلية

في تكوين التغذية المرتدة السلبية، يتم إعطاء جزء من خرج المضخم التشغيلي (V) إلى طرف عكس الإدخال (-). سيتم طرح إشارة الإخراج هذه من مرجع الإدخال. فهو يساعد على التحكم في كسب مكبر الصوت وتحقيق الاستقرار فيه.

باستخدام ردود الفعل السلبية في دائرة أمبير، يمكنك ضبط مستوى الكسب المطلوب مع الحفاظ على استقرار النظام. تقلل ردود الفعل السلبية من عدم الخطية في خصائص مضخم العمليات، مما يجعلها تعمل بشكل أقرب إلى السلوك المثالي.

تم تصميم دائرة مضخم تشغيلي ذو ردود فعل سلبية (op-amp) باستخدام op-amp كمكون مركزي. يحتوي المضخم التشغيلي على مدخلين: أحدهما مقلوب (-)، والآخر غير مقلوب (+). لديها محطة إخراج واحدة. بالنسبة لنظام ردود الفعل السلبية، سوف نستخدم الجانب المقلوب من المضخمات التشغيلية.

تتضمن هذه الدائرة عادةً ما يلي:

• مقاوم الإدخال (Rin) الذي يربط المصدر الفردي بالمدخل المقلوب (-) لمضخم التشغيل.
• مقاوم ردود الفعل (Rf) يربط مخرج المضخم التشغيلي بالمدخل المقلوب (-).
• اتصال بالحمل عند مخرج مضخم العمليات.

يمكنك العثور على مكاسب باستخدام نسبة Rf إلى Rin. تعمل هذه التعليقات السلبية على استقرار سلوك المضخم التشغيلي والتحكم فيه. إنه يعمل عن طريق تقليل اختلاف الفولتية بين المدخلين المقلوب وغير المقلوب. يقوم بإنشاء دائرة كهربائية قصيرة افتراضية بينهما. ونتيجة لذلك، يقوم المضخم التشغيلي بضبط جهد الخرج الخاص به للحفاظ على هذا التوازن، مما يجعله مضخمًا فعالاً مع كسب يمكن التحكم فيه.

المثال 1: حساب ربح الحلقة المغلقة

يتمتع النظام بكسب قدره 60 ديسيبل بدون ردود فعل. جزء التغذية الراجعة السلبية هو 1/20، أوجد كسب الحلقة المغلقة (بالديسيبل) مع إضافة التغذية الراجعة السلبية.

حل:

يتم الحصول على كسب الحلقة المغلقة مع ردود فعل سلبية بواسطة الصيغة:

في هذه الحالة، يكون كسب الحلقة المفتوحة 60 ديسيبل، ونسبة التغذية المرتدة هي 1/20.

لذا، مع جزء تغذية راجعة قدره 1/20، سيكون كسب الحلقة المغلقة للنظام 86.02 ديسيبل.

مثال 2: حساب كسب الجهد

إذا كان لدى مكبر الصوت في البداية كسب جهد قدره 3000 (بدون ردود فعل) ثم يشتمل على ردود فعل جهد سلبية مع جزء تغذية مرتدة قدره mv = 0.01. ما هو كسب الجهد الجديد للمكبر؟

حل :

يمكنك استخدام صيغة كسب الجهد لمكبر الصوت ذو التغذية العكسية للجهد - لحساب كسب الجهد لمكبر الصوت:

في الصيغة أعلاه:
أ _F = زيادة الجهد مع التغذية الراجعة
أ = زيادة الجهد دون ردود فعل
إم في = جزء من ردود الفعل

لدينا هنا:
زيادة الجهد دون ردود فعل (أ) = 3000
جزء ردود الفعل (مف) = 0.01

الآن، ضع هذه القيم في الصيغة:

لذلك، فإن كسب الجهد لمكبر الصوت مع ردود فعل الجهد السلبية هو حوالي 96.77.

مثال 3: حساب مقاومة ردود الفعل

تحديد القيم المناسبة لمقاومات التغذية الراجعة R ₁ و ر ₂ . يجب عليك تثبيت دائرة مضخم غير مقلوب باستخدام مضخم تشغيلي مع كسب جهد مفتوح (AVOL) يبلغ 220.000. ربحك المستهدف للحلقة المغلقة هو 40.

حل :

معادلة التغذية الراجعة العامة ذات الحلقة المغلقة هي:

للحصول على جزء التغذية الراجعة β، أعد ترتيب المعادلة أعلاه:

في هذه الحالة، يكون كسب الحلقة المفتوحة مرتفعًا جدًا. لذا، فإن جزء التغذية المرتدة β سيكون مساويًا تقريبًا لمقلوب كسب الحلقة المغلقة 1/G. حيث أن قيمة 1/A صغيرة جدًا وتساوي تقريبًا (0.025).

تشكل المقاومات R1 و R2 في التكوين أعلاه دائرة مقسم الجهد التسلسلي. يمكنك العثور على كسب جهد الحلقة المغلقة كما يلي:

لنفترض أن قيمة R2 هي 1000 Ω (1 kΩ). ثم قيمة R ₁ يمكن كتابتها كما

لذلك، بالنسبة لدائرة مكبر الصوت غير المقلوب مع كسب قدره 40، تحتاج إلى تحديد R ₁ من 39 كيلو و R ₂ من 1 كيلو أوم.

الفرق بين أنظمة التغذية الراجعة الإيجابية والسلبية

يمكنك العثور على الفرق بين أنظمة ردود الفعل الإيجابية والسلبية في الجدول أدناه:

تطبيقات وخصائص نظام التغذية الراجعة السلبية

أنظمة ردود الفعل السلبية لها العديد من التطبيقات في مجال الإلكترونيات العامة. أدت هذه الأنظمة إلى تحسين عدم استقرار النظام وخطية النظام واستجابة التردد واستجابة الخطوة. نظرًا لهذه الفوائد من أنظمة التغذية الراجعة السلبية، تمتلك العديد من دوائر مكبرات الصوت عبر الإلكترونيات أنظمة ردود فعل سلبية.
فيما يلي بعض الأوصاف التفصيلية لأنظمة ردود الفعل السلبية:

استقرار : نظام ردود الفعل السلبية يقلل الانحرافات عن النقطة المطلوبة، مما يؤدي إلى نظام أكثر استقرارا. على سبيل المثال، يتأكد منظم الحرارة من بقاء درجة الحرارة قريبة من القيمة المختارة.

الدقة: تعمل أنظمة ردود الفعل السلبية على تحسين دقة النظام عن طريق تقليل الأخطاء. في دائرة مكبر الصوت، تعمل التغذية الراجعة السلبية على تقليل التشوه وتنتج إشارة أكثر استقرارًا عند الخرج.

التحكم في سعة التنزيل : يمكنك أيضًا التحكم في النطاق الترددي لمكبر الصوت بمساعدة نظام التغذية الراجعة السلبية. وهذا يجعلها مناسبة للعديد من التطبيقات. وتشمل هذه التطبيقات تضخيم الصوت لتضخيم الترددات الراديوية.

تقليل الضوضاء : ردود الفعل السلبية يمكن أن تقلل من الضوضاء والتداخل غير المرغوب فيه. للحد من الضوضاء تطبيقات متعددة في مجال الأنظمة الصوتية وأجهزة الاتصالات.

الاستجابة الديناميكية : تتمتع أنظمة ردود الفعل السلبية بقدرة الاستجابة الديناميكية. يمكن تعديل هذه الأنظمة وفقًا لظروف معينة. من أمثلة الاستجابة الديناميكية نظام التحكم في سرعة السيارة.

تأثير ردود الفعل السلبية على عرض النطاق الترددي

يشرح عرض النطاق الترددي نطاق تردد التشغيل لمكبر الصوت ذي الكسب الثابت. النظام ذو النطاق الترددي العالي يعني أن مكبر الصوت يمكنه التعامل مع المزيد من الترددات. ردود الفعل السلبية تقلل من كسب مكبر الصوت عن طريق إعطاء الإخراج في جانب الإدخال. يؤدي هذا إلى تحسين استقرار النظام وخطيته، ولكن نتيجة لذلك، يقلل أيضًا من كسب النظام.

ال تأثير ردود الفعل السلبية على عرض النطاق الترددي يعتمد على نوع وكمية التعليقات المطبقة. بشكل عام، تعمل ردود الفعل السلبية على زيادة عرض النطاق الترددي عن طريق تقليل كسب النظام. يظل منتج عرض النطاق الترددي المكتسب، وهو مقياس أداء مكبر الصوت، ثابتًا بغض النظر عن ردود الفعل.

على سبيل المثال ، فكر في دائرة مضخم بدون ردود فعل ذات كسب قدره 100 و 10 كيلو هرتز من عرض النطاق الترددي. تطبيق ردود فعل سلبية لتقليل الكسب إلى 10. سيؤدي ذلك إلى زيادة عرض النطاق الترددي إلى 100 كيلو هرتز. لا يزال منتج عرض النطاق الترددي 100 × 10 كيلو هرتز = 1 ميجا هرتز في كلتا الحالتين.

ومع ذلك، فإن ردود الفعل السلبية تؤثر أيضًا على ترددات القطع لمكبر الصوت. هذه هي الترددات التي تنخفض فيها مكاسب النظام من القيمة القصوى. ردود الفعل السلبية تقلل من تردد القطع وترفع تردد القطع العلوي. سيؤدي ذلك إلى توسيع منحنى استجابة التردد لمكبر الصوت. التأثير الصافي للتعليقات السلبية على عرض النطاق الترددي هو استبدال المكاسب بعرض النطاق الترددي.

وهذا يعني أن تطبيق ردود فعل سلبية سيزيد من نطاق الترددات التي يستطيع مكبر الصوت التعامل معها. لكن كل هذا يأتي على حساب تقليل عامل التضخيم.

خاتمة

يمكن لنظام التغذية الراجعة السلبية التحكم في الإخراج أو ضبطه من خلال خدمة جزء من الإخراج في جانب الإدخال. تولد هذه الملاحظات إشارة خطأ، مما يمنحك نظامًا أكثر استقرارًا. إشارة الخطأ هذه ديناميكية وتقود النظام بأكمله. يمكن لنظام التغذية المرتدة السلبية تحسين دقة النظام والتحكم أيضًا في عرض النطاق الترددي. يُستخدم نظام التغذية المرتدة هذا في دوائر مكبر الصوت مثل إلغاء الضوضاء أو أنظمة التحكم في سرعة السيارة. اقرأ المزيد عن الوصف التفصيلي للتعليقات السلبية في هذه المقالة.