Sistem Kontrol Umpan Balik Negatif
Umpan Balik Negatif adalah bentuk paling umum dari konfigurasi kontrol umpan balik yang digunakan dalam proses, komputer mikro dan sistem amplifikasi.
Umpan balik adalah proses di mana sebagian kecil dari sinyal output, baik tegangan atau arus, digunakan sebagai input. Jika fraksi umpan balik ini berlawanan dalam nilai atau fasa ("anti-fasa") dengan sinyal input, maka umpan balik dikatakan Umpan Balik Negatif, atau umpan balik degeneratif.
Umpan balik negatif menentang atau mengurangi dari sinyal input sehingga memberikan banyak keuntungan dalam desain dan stabilisasi sistem kontrol. Misalnya, jika output sistem berubah karena alasan apa pun, maka umpan balik negatif memengaruhi input sedemikian rupa untuk menangkal perubahan.
Umpan balik mengurangi perolehan keseluruhan sistem dengan tingkat pengurangan yang terkait dengan gain Sistem Loop Terbuka. Umpan balik negatif juga memiliki efek mengurangi distorsi, kebisingan, sensitivitas terhadap perubahan eksternal serta meningkatkan bandwidth sistem dan impedansi input dan output.
Umpan balik dalam sistem elektronik, apakah umpan balik negatif atau umpan balik positif bersifat unilateral. Artinya, sinyalnya hanya mengalir satu arah dari output ke input sistem. Ini kemudian membuat gain loop, G dari sistem tidak tergantung pada beban dan impedansi sumber.
Karena umpan balik menyiratkan Sistem Loop Tertutup, karenanya harus memiliki titik penjumlahan. Dalam sistem umpan balik negatif, titik penjumlahan atau persimpangan pada input ini mengurangi sinyal umpan balik dari sinyal input untuk membentuk sinyal kesalahan, β yang menggerakkan sistem. Jika sistem memiliki gain positif, sinyal umpan balik harus dikurangi dari sinyal input agar umpan balik menjadi negatif seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian mewakili sistem dengan gain positif, G dan umpan balik, β. Persilangan penjumlahan pada inputnya mengurangi sinyal umpan balik dari sinyal input untuk membentuk sinyal kesalahan Vin - βG, yang menggerakkan sistem. Kemudian menggunakan rangkaian loop tertutup dasar di atas kita dapat memperoleh persamaan umpan balik umum sebagai:
Kami melihat bahwa efek dari umpan balik negatif adalah mengurangi gain dengan faktor: 1 + βG. Faktor ini disebut "faktor umpan balik" atau "jumlah umpan balik" dan sering ditentukan dalam desibel (dB) oleh hubungan 20 log (1+ βG).
Kemudian kita dapat melihat bahwa sistem memiliki gain loop 10.000 dan gain loop tertutup 34dB.
Kemudian kita dapat melihat dari dua contoh bahwa tanpa umpan balik, setelah 5 tahun penggunaan, gain sistem turun dari 80dB menjadi 60dB, (10.000 hingga 1.000) penurunan gain loop terbuka sekitar 25%. Namun dengan penambahan umpan balik negatif, kenaikan sistem hanya turun dari 34dB menjadi 33.5dB, pengurangan kurang dari 1.5%, yang membuktikan bahwa umpan balik negatif memberikan stabilitas tambahan pada perolehan sistem.
Oleh karena itu kita dapat melihat bahwa dengan menerapkan umpan balik negatif ke suatu sistem sangat mengurangi gain keseluruhan dibandingkan dengan gain tanpa umpan balik. Gain sistem tanpa umpan balik bisa sangat besar tetapi tidak tepat karena dapat berubah dari satu perangkat sistem ke perangkat berikutnya, maka dimungkinkan untuk merancang sistem dengan gain loop terbuka yang cukup, setelah umpan balik negatif ditambahkan, gain keseluruhan cocok dengan nilai yang diinginkan.
Juga, jika jaringan umpan balik dibangun dari elemen pasif yang memiliki karakteristik stabil, gain keseluruhan menjadi sangat stabil dan tidak terpengaruh oleh variasi dalam gain loop terbuka sistem yang melekat.
Nilai khas AVOL untuk 741 Op-amp lebih dari 200.000 (106dB). Jadi sinyal tegangan input hanya 1mV, akan menghasilkan tegangan output lebih dari 200 volt! memaksa output segera ke saturasi. Jelas gain tegangan loop terbuka yang tinggi ini perlu dikontrol dengan cara tertentu, dan kita bisa melakukannya dengan menggunakan umpan balik negatif.
Penggunaan umpan balik negatif dapat secara signifikan meningkatkan kinerja Op-amp dan setiap rangkaian Op-amp yang tidak menggunakan umpan balik negatif dianggap terlalu tidak stabil untuk berguna. Tetapi bagaimana kita bisa menggunakan umpan balik negatif untuk mengontrol Op-amp. Pertimbangkan rangkaian di bawah dari Op-amp Non-inverting.
Dengan mengatur ulang rumus umpan balik, kami mendapatkan fraksi umpan balik, β dari:
Kemudian menempatkan nilai-nilai: A = 320.000 dan G = 20, ke dalam persamaan di atas kita mendapatkan nilai β sebagai:
Karena dalam kasus ini gain loop terbuka Op-amp sangat tinggi ( A = 320.000 ), fraksi umpan balik, β akan kira-kira sama dengan kebalikan dari gain loop-tertutup 1/G hanya sebagai nilai 1/A akan menjadi sangat kecil. Kemudian β (fraksi umpan balik) sama dengan 1/20 = 0,05.
Jika kita mengasumsikan resistor R2 memiliki nilai 1,000Ω, atau 1kΩ, maka nilai resistor R1 akan menjadi:
Kemudian untuk rangkaian penguat non-inverting akan memiliki gain loop tertutup dari 20, nilai-nilai dari resistor umpan balik negatif diperlukan akan dalam kasus ini, R1 = 19kΩ dan R2 = 1kΩ, memberikan kita penguat non-inverting rangkaian dari:
Umpan balik adalah proses di mana sebagian kecil dari sinyal output, baik tegangan atau arus, digunakan sebagai input. Jika fraksi umpan balik ini berlawanan dalam nilai atau fasa ("anti-fasa") dengan sinyal input, maka umpan balik dikatakan Umpan Balik Negatif, atau umpan balik degeneratif.
Umpan balik negatif menentang atau mengurangi dari sinyal input sehingga memberikan banyak keuntungan dalam desain dan stabilisasi sistem kontrol. Misalnya, jika output sistem berubah karena alasan apa pun, maka umpan balik negatif memengaruhi input sedemikian rupa untuk menangkal perubahan.
Umpan balik mengurangi perolehan keseluruhan sistem dengan tingkat pengurangan yang terkait dengan gain Sistem Loop Terbuka. Umpan balik negatif juga memiliki efek mengurangi distorsi, kebisingan, sensitivitas terhadap perubahan eksternal serta meningkatkan bandwidth sistem dan impedansi input dan output.
Umpan balik dalam sistem elektronik, apakah umpan balik negatif atau umpan balik positif bersifat unilateral. Artinya, sinyalnya hanya mengalir satu arah dari output ke input sistem. Ini kemudian membuat gain loop, G dari sistem tidak tergantung pada beban dan impedansi sumber.
Karena umpan balik menyiratkan Sistem Loop Tertutup, karenanya harus memiliki titik penjumlahan. Dalam sistem umpan balik negatif, titik penjumlahan atau persimpangan pada input ini mengurangi sinyal umpan balik dari sinyal input untuk membentuk sinyal kesalahan, β yang menggerakkan sistem. Jika sistem memiliki gain positif, sinyal umpan balik harus dikurangi dari sinyal input agar umpan balik menjadi negatif seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Umpan Balik Negatif
Rangkaian mewakili sistem dengan gain positif, G dan umpan balik, β. Persilangan penjumlahan pada inputnya mengurangi sinyal umpan balik dari sinyal input untuk membentuk sinyal kesalahan Vin - βG, yang menggerakkan sistem. Kemudian menggunakan rangkaian loop tertutup dasar di atas kita dapat memperoleh persamaan umpan balik umum sebagai:
Persamaan Umpan Balik Negatif
Kami melihat bahwa efek dari umpan balik negatif adalah mengurangi gain dengan faktor: 1 + βG. Faktor ini disebut "faktor umpan balik" atau "jumlah umpan balik" dan sering ditentukan dalam desibel (dB) oleh hubungan 20 log (1+ βG).
Pengaruh Umpan Balik Negatif
Jika loop terbuka naik, G sangat besar, maka βG akan jauh lebih besar dari 1, sehingga keseluruhan gain sistem kira-kira sama dengan 1/β. Jika gain loop terbuka berkurang karena frekuensi atau efek dari penuaan sistem, asalkan βG masih relatif besar, gain sistem secara keseluruhan tidak banyak berubah. Jadi umpan balik negatif cenderung mengurangi efek perubahan gain, memberikan apa yang umumnya disebut "gain stabilitas".Contoh Umpan Balik Negatif No1
Suatu sistem memiliki gain 80dB tanpa umpan balik. Jika fraksi umpan balik negatif adalah 1/50. Hitung gain sistem loop tertutup dalam dB dengan penambahan umpan balik negatif.Contoh Umpan Balik Negatif No2
Jika setelah 5 tahun, gain loop sistem tanpa umpan balik negatif turun menjadi 60dB dan fraksi umpan balik tetap konstan pada 1/50. Hitung nilai gain loop tertutup baru dari sistem.Oleh karena itu kita dapat melihat bahwa dengan menerapkan umpan balik negatif ke suatu sistem sangat mengurangi gain keseluruhan dibandingkan dengan gain tanpa umpan balik. Gain sistem tanpa umpan balik bisa sangat besar tetapi tidak tepat karena dapat berubah dari satu perangkat sistem ke perangkat berikutnya, maka dimungkinkan untuk merancang sistem dengan gain loop terbuka yang cukup, setelah umpan balik negatif ditambahkan, gain keseluruhan cocok dengan nilai yang diinginkan.
Juga, jika jaringan umpan balik dibangun dari elemen pasif yang memiliki karakteristik stabil, gain keseluruhan menjadi sangat stabil dan tidak terpengaruh oleh variasi dalam gain loop terbuka sistem yang melekat.
Umpan Balik Negatif dalam Penguat Operasional (Op-amp)
Penguat Operasional (Op-amp) adalah jenis rangkaian terintegrasi linier yang paling umum digunakan tetapi mereka memiliki gain yang sangat tinggi. Gain tegangan loop terbuka, AVOL, dari standar 741 Op-amp adalah gain tegangannya ketika tidak ada umpan balik negatif yang diterapkan dan gain tegangan loop terbuka dari sebuah Op-amp adalah rasio tegangan outputnya, Vout, untuk tegangan input differensial, Vin, ( Vout/Vin ).Nilai khas AVOL untuk 741 Op-amp lebih dari 200.000 (106dB). Jadi sinyal tegangan input hanya 1mV, akan menghasilkan tegangan output lebih dari 200 volt! memaksa output segera ke saturasi. Jelas gain tegangan loop terbuka yang tinggi ini perlu dikontrol dengan cara tertentu, dan kita bisa melakukannya dengan menggunakan umpan balik negatif.
Penggunaan umpan balik negatif dapat secara signifikan meningkatkan kinerja Op-amp dan setiap rangkaian Op-amp yang tidak menggunakan umpan balik negatif dianggap terlalu tidak stabil untuk berguna. Tetapi bagaimana kita bisa menggunakan umpan balik negatif untuk mengontrol Op-amp. Pertimbangkan rangkaian di bawah dari Op-amp Non-inverting.
Rangkaian Op-amp Non-inverting
Contoh Umpan Balik Negatif No3
Penguat operasional (Op-amp) dengan gain tegangan loop terbuka, AVOL dari 320.000 tanpa umpan balik harus digunakan sebagai penguat non-inverting. Hitung nilai resistansi umpan balik, R1 dan R2 yang diperlukan untuk menstabilkan rangkaian dengan gain loop tertutup 20.
Persamaan umpan balik loop tertutup umum yang kami peroleh di atas diberikan sebagai:
Sebagai resistor, R1 dan R2 bentuk sederhana seri-tegangan potensial jaringan pembagi seluruh penguat non-inverting, loop tertutup gain tegangan dari rangkaian akan ditentukan oleh rasio resistansi ini sebagai:
Rangkaian Op-amp Non-inverting
Ada banyak keuntungan menggunakan umpan balik dalam desain sistem, tetapi keuntungan utama menggunakan Umpan Balik Negatif dalam rangkaian penguat (amplifier) adalah sangat meningkatkan stabilitasnya, toleransi yang lebih baik terhadap variasi komponen, stabilisasi terhadap arus DC serta peningkatan bandwidth penguat (amplifier).
Contoh umpan balik negatif di rangkaian penguat umum termasuk Resistor Rƒ di rangkaian Op-amp seperti yang telah kita lihat di atas, resistor, RS di penguat berbasis FET dan resistor, RE di penguat transistor bipolar (BJT).