Negativní zpětná vazba ( NFB ) je druh zpětné vazby , při které změna výstupního signálu systému vede k takové změně vstupního signálu, která působí proti původní změně.
Jinými slovy, negativní zpětná vazba je takový vliv výstupu systému na vstup („reverzní“), který snižuje vliv vstupního signálu na systém.
Negativní zpětná vazba činí systém odolnějším vůči náhodným změnám parametrů.
Metody matematické analýzy systémů, včetně systémů pokrytých negativní zpětnou vazbou, se podrobně zabývá teorie automatického řízení .
Jedním z nejjednodušších příkladů je zařízení nejjednodušší vypouštěcí nádrže. Jak se vypouštěcí nádrž plní, hladina vody v ní stoupá, což vede k vyplavení plováku, který blokuje další proudění vody.
Negativní zpětná vazba má velký význam při výrobě energie pro stabilizaci parametrů kvality energie – napětí a frekvence . Při kolísání elektrické zátěže se mění úbytek napětí na vinutích generátoru a na výstupních vodičích, to znamená, že se mění výstupní napětí generátoru a často se mění otáčky generátoru , zejména v případech, kdy generátor není instalován jako pomocná jednotka (např. , na motor automobilu nebo letadla), a je hlavním generátorem elektrárny nebo dieselové lokomotivy a kolísání jeho výkonu má velký vliv na hnací motor. Při kolísání otáček se mění i napětí generátoru, protože EMF generátoru je úměrné otáčkám , a pokud generátor vyrábí střídavý proud , pak frekvence. Proto v tandemu s téměř každým generátorem používaným k napájení (to nezahrnuje tachogenerátory a další speciální elektrické stroje) pracuje jeden nebo více regulátorů se zpětnou vazbou.
Regulátor napětí (PH) téměř vždy řídí buzení (magnetický tok) generátoru regulací proudu v budícím vinutí (induktoru) - při poklesu napětí regulátor zvýší budicí proud, zvýší se EMF generátoru a napětí se sníží. obnovena; při zvýšení napětí dochází k opačnému procesu. PH lze instalovat do samotného generátoru, jak se to dělá u většiny moderních automobilových generátorů - regulátor je vyroben v jednom pouzdře s kartáči, které dodávají budící proud do rotoru (v žargonu se této jednotce pro charakteristický tvar říká "tablet" pouzdra regulátoru), lze instalovat samostatně - například u většiny letadel jsou generátory instalovány na motorech, to znamená v beztlakovém prostoru, a řídicí jednotky jsou v trupu poblíž rozvaděče , to znamená, že negativní zpětná vazba zabírá zohledněte úbytek napětí jak na vinutí generátoru, tak na vodičích od generátoru k rozvaděči.
Frekvenční regulátory se vzhledem k rozmanitosti typů hnacích motorů a poměrům výkonu generátoru a motoru velmi liší. V některých případech stačí provoz vlastního regulátoru hnacího motoru, například volnoběžný ventil vstřikovacího motoru nebo dieselový regulátor - v tomto případě není generátor vůbec zahrnut do okruhu ochrany životního prostředí, regulátor motoru detekce snížení rychlosti (se zvýšením zatížení generátoru) nebo zvýšení rychlosti (se snížením zatížení), respektive zvýšení nebo snížení dodávky paliva. V ostatních případech jsou motor a generátor propojeny jednou nebo druhou zpětnou vazbou - například reostat je instalován v regulátorech dieselových motorů (například v regulátoru ChME3 ) nebo indukčním snímači (v regulátoru 2TE116 atd. ), který při velkém zatížení naftového motoru snižuje buzení hlavního generátoru a chrání naftu před přetížením.
Mezi motorem a generátorem může být také jedno nebo druhé zařízení pro řízení frekvence - například konstrukce leteckého zdroje APA-50 zahrnuje variabilní spojku plnicí kapaliny a letecké alternátory namontované na hlavních motorech jsou často instalovány na pohony s konstantní rychlostí . PPO může být buď čistě mechanické (vzduchové PPO-40, hydrostatické GP21 ), nebo mít elektrické ovládání - např. na Tu-154M , Il-76 a některých dalších letounech jsou frekvenční řídící jednotky BRCH-62, upravující PPO při frekvence generátorů se liší od jmenovité (400 Hz).
Negativní zpětná vazba je široce používána v trakčních pohonech lokomotiv . Nejjednodušším příkladem je antisložkové vinutí budiče (malý generátor, který vyrábí budicí proud hlavních motorů). Je navinuto na pólech budiče spolu s hlavním (nezávislým) budicím vinutím a protéká jím proud trakčních motorů , ale směr proudu v něm je takový, že jeho magnetický tok působí proti proudu hl. navíjení. Pokud je proud motorů malý, tak to nemá velký vliv na výsledný tok buzení, ale se zvyšujícím se proudem se zvyšuje tok antisložkového vinutí a výsledný tok klesá. Tím klesá napětí budiče a s ním i proud trakčních motorů.
Tato ochrana životního prostředí je důležitá u dieselových lokomotiv pro zamezení boxování a přetěžování zařízení, u elektrických lokomotiv VL8 , VL10 , VL11 a dalších, kde je instalován měnič s protisložkovým vinutím pro buzení motorů při elektrickém brzdění (rekuperaci) - aby se zabránilo smyku a přetížení zařízení. Pokud během rekuperace náhle poklesne napětí kontaktní sítě (zapne se trakce na jiné elektrické lokomotivě, vypne se rozvodna), prudce se zvýší rekuperační proud, protože rozdíl napětí mezi kontaktní sítí a trakčními motory pracujícími v režim generátoru se zvyšuje as proudem roste i brzdná síla až do selhání dvojkolí ve smyku. Proud protékající anti-složeným vinutím však snižuje napětí měniče, budící proud a následně i napětí motorů, čímž se snižuje rozdíl napětí mezi sítí a motory. Opačný proces nastane, když se zvýší síťové napětí.
V budicích systémech generátorů dieselových lokomotiv, které jsou složitější než systém s vícevinutým budičem, existuje několik obvodů ochrany životního prostředí - pro proud (prováděný na proudovém snímači jednoho nebo druhého provedení), napětí (chrání zařízení před nadměrný růst napětí hlavního generátoru), boxování (při boxování, to znamená zvýšení rychlosti otáčení jednoho nebo více dvojkolí v důsledku ztráty adheze ke kolejnicím, snižuje nebo úplně odstraňuje buzení generátoru) atd. .
Harold Black byl první , kdo použil myšlenku negativní zpětné vazby v elektronice ke zlepšení linearity zisku pro mezikontinentální telekomunikace. Podstatou myšlenky je obětovat část zisku kvůli zlepšení linearity výstupního signálu. Klasický elektronický zesilovač signálu ( elektronka , tranzistor s efektem pole atd.) vnáší do průběhu nelineární zkreslení . Proto odečtením zlomku výstupního signálu děleného ziskem od vstupního signálu lze získat tvar samotného nelineárního zkreslení. Potom použitím zpětného zkreslení na vstupní signál můžete dosáhnout kompenzovaného signálu, který po průchodu zesilovačem bude mít sníženou nelinearitu.
Názorným příkladem použití negativní zpětné vazby je konstrukce zesilovače se stabilním zesílením na bázi operačního zesilovače (op-amp).
Nechte nějaký operační zesilovač dát se ziskem asi 106 . Na základě tohoto operačního zesilovače je potřeba postavit zesilovač se vstupní impedancí alespoň 5 kOhm a ziskem 3 (pro neinvertující zesilovač K=1+R2/R1). Za tímto účelem je na invertující vstup operačního zesilovače umístěn rezistor s odporem o něco větším než požadovaný vstup (řekněme 7 kOhm) a do zpětnovazebního obvodu je umístěn rezistor s nominální hodnotou 2krát větší. . Z analytického vzorce vyplývá, že tento způsob konstrukce zesilovačů je přibližný, avšak vzhledem k velké hodnotě zesílení je chyba z použitých předpokladů menší než z nepřesnosti výrobních prvků.
NFB obvykle poskytuje dobrý výkon zesilovače, ale obecně to platí pouze pro stejnosměrné nebo nízkofrekvenční zesílení. Vzhledem k tomu, že se zvyšující se frekvencí začíná zpoždění zaváděné zesilovačem poskytovat významný fázový posun zesíleného signálu, pak OOS nepracuje v souladu s výpočtem. Pokud budeme pokračovat ve zvyšování frekvence, pak když zpoždění dosáhne přibližně poloviny periody signálu (tj. přibližně 180 stupňů ve fázi), pak se OOS změní na POS a zesilovač na generátor. Aby se tomu zabránilo, musí být obvod NFB závislý na frekvenci.
V mikrovlnných zesilovačích není zpětná vazba použitelná, takže je velmi obtížné stabilizovat zisk mikrovlnných kaskád. Pokud však potřebujete stabilizovat nikoli zisk, ale amplitudu (výkon) výstupního signálu, lze to snadno implementovat ve formě AGC .
OOS se používá ve stabilizátorech napětí (ne ve všech případech).
Negativní zpětná vazba je široce používána živými systémy na různých úrovních organizace - od buněk po ekosystémy - k udržení homeostázy . Například v buňkách je mnoho mechanismů pro regulaci práce genů (například tryptofanový operon ) založeno na principu negativní zpětné vazby , stejně jako na regulaci práce enzymů ( inhibice metabolické dráhy na konci produkt). Na stejném principu je v těle založen systém hypotalamo-hypofyzární regulace funkcí a řada mechanismů nervové regulace, které podporují jednotlivé parametry homeostázy (termoregulace, udržování konstantní koncentrace oxidu uhličitého a glukózy v krvi, atd.). V populacích zajišťují negativní zpětné vazby (například inverzní vztah mezi hustotou populace a plodností jedinců) homeostázu čísel. Negativní zpětná vazba může být použita k normalizaci tělesné hmotnosti osoby s obezitou , pro kterou je obsah kalorií ve stravě pravidelně (například týdně) upravován sledováním dynamiky tělesné hmotnosti.
Negativní zpětná vazba u živých organismů probíhá podle principu, že receptor (detektor) přijímá podráždění z okolí a pomocí nervového systému předává regulátoru signál o podráždění v té či oné části těla. Dále se informace o podráždění přenáší do efektoru , který uvolňuje hormony do krve. Tím se odchylka v těle normalizuje. Tento princip lze uvažovat na příkladu regulace hladiny tyroxinu v krvi.
V živém těle, stejně jako v samočinném stroji, mohou být regulátory samozřejmě pouze automatické, tzn. je uváděn do činnosti změněnými podmínkami ve stavu nebo chodu stroje (organismu) a vyvíjet činnosti, jimiž jsou tyto nepravidelnosti odstraněny,“ napsal I. M. Sechenov v roce 1897, když předjímal ustanovení kybernetiky o mechanismech samoregulace v Lidské tělo.
I.M. Sechenov tak formuloval princip „negativní zpětné vazby“, který je základem procesů automatického řízení ve stroji a živém organismu.