Положительная обратная связь кратко

Обновлено: 05.07.2024

Как мы видели, отрицательная обратная связь является невероятно полезным инструментом применительно к операционным усилителям. Она позволяет нам создавать все эти практические схемы с возможностью точно устанавливать коэффициенты усиления, скорости и другие значимые параметры с помощью всего лишь нескольких изменений номиналов резисторов. Отрицательная обратная связь делает все эти схемы стабильными и самокорректирующимися.

Основной принцип отрицательной обратной связи состоит в том, что выходной сигнал имеет тенденцию двигаться в направлении, которое создает условие равновесия (баланса). В схеме на операционном усилителе без обратной связи отсутствует корректирующий механизм, и выходное напряжение будет насыщаться при минимальной величине дифференциального напряжения, приложенного между входами. Результатом является компаратор.

С отрицательной обратной связью (выходное напряжение каким-то образом подается обратно на инвертирующий вход) схема имеет тенденцию препятствовать тому, чтобы выходное напряжение доходило до полного насыщения. Скорее выходное напряжение доходит до такого высокого или низкого значения, чтобы уравновешивать напряжения двух входов:

Отрицательная обратная связь

Другой тип обратной связи, а именно положительная обратная связь (ПОС), также находит применение в схемах на операционных усилителях. В отличие от отрицательной обратной связи, когда выходное напряжение подается обратно на инвертирующий (-) вход, при положительной обратной связи выходное напряжение каким-либо способом направляется обратно на неинвертирующий (+) вход. В простейшей форме мы могли бы подключить просто кусок провода от выхода до неинвертирующего входа и посмотреть, что произойдет:

Положительная обратная связь

Инвертирующий вход остается неподключенным к петле обратной связи и может принимать внешнее напряжение. Посмотрим, что произойдет, если соединим инвертирующий вход с землей:

Положительная обратная связь, инвертирующий вход соединен с землей

Когда инвертирующий вход соединен с землей (удерживается на нуле вольт), выходное напряжение будет определяться величиной и полярностью напряжения на неинвертирующем входе. Если это напряжение будет положительным, операционный усилитель будет так же выдавать положительное напряжение, подавая это положительное напряжение обратно на неинвертирующий вход, что приведет к полному положительному насыщению на выходе. С другой стороны, если напряжение на неинвертирующем входе отрицательно, на выходе операционного усилителя будет так же отрицательное напряжение, которое будет подаваться обратно на неинвертирующий вход, и в результате получится полное отрицательное насыщение.

Здесь мы имеем схему, выход которой бистабилен: стабилен в одном из двух состояний (насыщенное положительное или насыщенное отрицательное). Как только он достигнет одного из этих насыщенных состояний, он будет оставаться в этом состоянии неизменным. То, что необходимо для его переключения, – это напряжение, приложенное к инвертирующему (-) входу с той же полярностью, но немного большему по величине. Например, если наша схема насыщена при выходном напряжении +12 вольт, то для изменения выходного напряжения необходимо напряжение не менее +12 вольт на инвертирующем входе. Когда состояние на выходе изменится, то это будет полностью насыщенное отрицательное состояние.

Если мы добавим в схему компаратора небольшую положительную обратную связь, мы введем гистерезис в выходной сигнал. Этот гистерезис заставит выход оставаться в своем текущем состоянии, если только входное переменное напряжение не претерпит существенного изменения величины.

Введение положительной обратной связи в схему компаратора

То, что создает резистор обратной связи, является двумя опорными уровнями в схеме компаратора. Напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход в качестве опорного уровня, который сравнивается с входным переменным напряжением, изменяется в зависимости от значения выходного напряжения операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя насыщен положительно, опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более положительным, чем ранее. С другой стороны, когда выход ОУ насыщен отрицательно, то опорное напряжение на неинвертирующем входе будет более отрицательным, чем ранее. Результат легче понять на графике:

Другим применением положительной обратной связи в схемах на операционных усилителях является построение схем генераторов. Генератор представляет собой устройство, которое создает переменное или, по меньшей мере, импульсное выходное напряжение. Технически он известен как нестабильное устройство: не имеет стабильного выходного состояния (нет какого-либо равновесия). Генераторы – это очень полезные устройства, и они легко реализуются с помощью простого операционного усилителя и нескольких внешних компонентов.

Схема генератора, использующая положительную обратную связь

Когда выход насыщен положительно, V_опор будет положительным, и конденсатор зарядится в положительном направлении. Когда V_накл превышает V_опор на минимальную разницу, выход будет насыщен отрицательно, и конденсатор будет заряжаться в противоположном направлении (полярности). Колебание происходит, потому что положительная обратная связь мгновенна, а отрицательная обратная связь имеет задержку (с помощью постоянной времени RC цепи). Частоту этого генератора можно регулировать, изменяя размер любого компонента.

Положи́тельная обра́тная связь (ПОС) — тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения, то есть знак изменения сигнала обратной связи совпадает со знаком изменения входного сигнала.

Положительная обратная связь ускоряет реакцию системы на изменение входного сигнала, поэтому её умышленно используют в технике в ситуациях, когда требуется ускорение реакции на изменение внешних параметров.

В то же время положительная обратная связь может привести к неустойчивости системы. Для примера примем, что в контуре нет фазовых задержек.

Если коэффициент усиления в петле положительной обратной связи (в разомкнутой системе, или разомкнутом контуре), больше 1, то в системе либо возникают автоколебания (это используется в различных автогенераторах), либо система перейдёт в одно из устойчивых, квазистационарных состояний (например, различные триггеры).

Если коэффициент усиления в разомкнутом контуре равен 1, система находится на грани самовозбуждения, и случайно возникшие автоколебания либо медленно затухают, либо нарастают до ограничения.

При коэффициенте усиления в разомкнутом контуре меньше 1 система устойчива.

Например, автогенератор на основе усилителя с мостом Вина в цепи положительной обратной связи является примером схемы с частотно-зависимой положительной обратной связью, причём для того, чтобы этот генератор генерировал синусоидальный сигнал с малыми искажениями, петлевое усиление в схеме поддерживается точно равным 1 с помощью амплитудно-зависимой нелинейной отрицательной обратной связи.

Положительная обратная связь присутствует в цепных химических реакциях, автокаталитических химических реакциях, цепных реакциях деления ядер тяжёлых элементов в ядерном взрыве. При управляемой ядерной реакции в ядерных реакторах эффективный коэффициент размножения нейтронов (петлевой коэффициент усиления, в терминах авторегулирования) поддерживается равным 1 с помощью следящей системы регулирования положения поглощающих нейтроны стержней.

Нелинейная положительная обратная связь приводит к развитию в системе режима с обострением.

Положительная обратная связь в организме. Причины и последствия положительной обратной связи

Может возникнуть вопрос: почему регуляторные системы организма используют преимущественно отрицательную, а не положительную обратную связь? Ответ на этот вопрос следует искать в природе положительной связи, которая по сути является не стабилизирующей, а дестабилизирующей и может приводить даже к гибели организма.

Рисунок отображает изменение сердечного выброса, в норме составляющего 5 л/мин. Быстрая потеря 2 л крови приводит к такому снижению объема крови, что насосная функция сердца становится малоэффективной. В результате артериальное давление падает, и приток крови по коронарным сосудам к сердечной мышце снижается. Ослабление сердечной деятельности еще больше уменьшает сердечный выброс и, как следствие, приводит к дальнейшему снижению коронарного кровотока и угнетению сердечной деятельности.

Этот цикл повторяется вновь и вновь и в итоге приводит к смерти. Важно отметить, что каждый цикл положительной обратной связи приводит к большему ослаблению сердечной деятельности. Другими словами, запускающий стимул вызывает реакцию того же направления — положительную обратную связь.

Положительная обратная связь более известна как порочный круг. При умеренном нарушении порочный круг можно разорвать с помощью систем, использующих отрицательную обратную связь. Например, если объем кровопотери у вышеупомянутого больного составит только 1 л вместо 2 л, то вклад отрицательной обратной связи в регуляцию сердечного выброса и артериального давления превысит вклад положительной обратной связи и сердечный выброс восстановится.

Восстановление сердечного выброса после потери 1 л крови (отрицательная обратная связь) - пунктирная линия.
Смерть после потери 2 л крови (положительная обратная связь).

Положительная обратная связь может быть полезной. В некоторых случаях организм использует преимущества положительной обратной связи. В качестве примера можно привести свертывание крови. При нарушении целостности сосуда и начале формирования тромба происходит активация множества ферментов, называемых факторами свертывания. Некоторые из этих факторов влияют на другие неактивные ферменты в крови, окружающей тромб, таким образом продолжая его рост.

Этот процесс идет до тех пор, пока дефект сосуда не закроется тромбом, и кровотечение не прекратится. Однако в некоторых случаях процесс может выходить из-под контроля, заканчиваясь нежелательным тромбообразованием. Так, основной причиной острого приступа стенокардии является формирование тромба на внутренней поверхности венечной артерии в области атеросклеротической бляшки. Рост тромба продолжается вплоть до полной закупорки просвета сосуда.

Другим примером полезного действия положительной обратной связи являются роды. Когда сокращения матки во время родов становятся настолько сильными, что головка плода достигает шейки матки и растягивает ее, сигналы от шеечных рецепторов распространяются по мускулатуре назад к телу матки, вызывая еще более мощные сокращения миометрия. Таким образом, сокращения матки растягивают шейку, а растяжение шейки, в свою очередь, приводит к сильным сокращениям матки.

Достигнув определенной силы, этот процесс приводит к рождению ребенка. Если этот процесс недостаточно эффективен, сокращения матки обычно затухают, но через несколько дней начинаются вновь.

Таким образом, небольшая утечка ионов в итоге вызывает бурный вход ионов натрия в нервное волокно, в результате формируется потенциал действия. В свою очередь, этот потенциал вызывает образование петель тока, распространяющихся внутри и снаружи по мембране. Процесс повторяется вновь и вновь, пока импульс не достигнет окончания волокна.

В приведенных примерах положительная связь является частью всеобъемлющей отрицательной обратной связи. Например, положительная связь в случае с образованием тромба является частью механизма отрицательной связи по поддержанию постоянного объема циркулирующей крови. То же самое относится и к положительной связи, формирующей нервный импульс, поскольку она позволяет нервным волокнам участвовать в многочисленных системах нервной регуляции на основе отрицательной обратной связи.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Сложное поведение чаще всего представляет собой результат взаимодействия обратных связей между компонентами системы, но никак не являются результатом сложности компонентов. Динамика системы в общем представляется как результат взаимодействия двух типов петель обратной связи, положительной (или самоукрепляющей - self-reinforcing) и отрицательной (или уравновешивающей - balancing). Отрицательные петли противодействуют изменениям.

Если в сигаретах будет содержаться меньше никотина, о курильщики должны потребить больше сигарет, чтобы получить ту дозу никотина, в которой они нуждаются. Привлекательный во всех отношениях город, станет центром, куда будут съезжаться с близлежащих территорий, что станет причиной повышения уровня безработицы, цен, а также переполненности школ и детских садов, увеличения транспорта на дороге и т.д.

Это будет происходить до тех пор, пока все эти факторы не снизят привлекательность города до уровня других городов и ниже, где эти люди захотят жить и работать. Данные петли описывают процессы, которые имеют тенденцию к ограничению изменений, тенденцию поиска баланса и равновесия.

Положительная обратная связь

Особенность положительных петель в том, что они самоукрепляют.

Большее количество куриц несёт большее количество яиц, и которых появляются всё новые и новые курицы, тем самым увеличивая число яиц и так до бесконечности.

Эта самоукрепляющая петля идентифицируется полярностью R (self-reinforcing). В случае, если бы это было единственное действие в системе курица-яйцо, то число куриц и яиц росло по экспоненте.

Очевидно, что никакое реальное число не может расти до бесконечности, в силу этого должны присутствовать пределы роста. Такие пределы создаются отрицательными обратными связями.

Читайте также: