ראשי > כללי > על פידבקים, בעיקר חיוביים, מעשה ידי אדם

על פידבקים, בעיקר חיוביים, מעשה ידי אדם

ברשימה קודמת הצגתי את מושג הפידבק (לולאת משוב) וחלק משימושיו הבסיסיים באלקטרוניקה ובבקרת מערכות. הכוונה בפידבק היא להזנת אות היציאה של מערכת חזרה אל אות הכניסה. משוב שלילי הוא המקרה שבו מפחיתים את אות היציאה מאות הכניסה, כלומר אות היציאה מוזן חזרה עם סימן שלילי. צורת החיבור הזאת שימושית מאוד עבור רגולציה וויסות של מערכות ובתכנון של בקרים. שימוש נוסף של המשוב השלילי הוא בייצוב ואופטימיזציה של מערכות.

מה יקרה, אם כך, אם נזין חזרה את מתח היציאה אל הכניסה בסימן חיובי, כלומר נחבר למערכת משוב חיובי? אם מדובר במגבר, הרי שבכל סיבוב האות יוגבר ויוזן שוב ויוגבר שוב וכך הלאה. האם זה יגרום לפיצוץ המערכת?

Trinity_shot_color
תמונה 1: הניסוי האטומי הראשון ב-16 ביולי 1945. המקור התמונה: צבא ארה"ב דרך ויקיפדיה.

הדוגמה המוכרת ביותר למשוב חיובי היא מיקרופון שנמצא קרוב מידי אל הרמקול של מערכת הגברה. כל רעש קטן מוזן דרך המיקרופון, מוגבר ומשודר דרך הרמקול הישר אל המיקרופון שם הוא יוגבר שוב וכך הלאה. תהליך זה לא מסתיים בפיצוץ המגבר אלא בשריקות ורעשים צורמים. יש לזכור שמגבר מופעל על ידי מתח חשמלי חיצוני. מכיוון שאין אנו יכולים ליצור אנרגיה יש מאין, המערכת לא תוכל לפלוט מתח גבוה יותר ממתח האספקה (המתח שמפעיל את המגבר, לא אות הכניסה). כאשר מחברים למגבר משוב חיובי, אות היציאה 'יתקע' על מתח הרוויה שנקבע על ידי מתח האספקה. ניתן אמנם לחשוב על סוג-של מערכות עם סוג-של משוב חיובי שכן מגיעות לפיצוץ כגון תגובת שרשרת גרעינית, אבל הדבר אינו אפשרי במערכות אלקטרוניות.

שמיט טריגר והיסטרזיס

באחת הרשימות הקודמות הצגתי רכיב שנקרא מגבר שרת. מדובר ברכיב שמגביר במידה רבה מאוד את ההפרש בין המתחים בשתי רגלי הכניסה שלו. מכיוון שהרכיב לא יכול להוציא מתח גבוה ממתחי האספקה שלו למעשה הוא יהיה 'תקוע' על אחד משני מצבים אפשריים: מתח יציאה מקסימלי או מינימלי (בעגה: מצב בי-סטבילי). מתח היציאה יקבע בהתאם לאיזה רגל קיבלה מתח גבוה יותר, החיובית או השלילית. עבור האפליקציה שאני רוצה להציג בהמשך נדרשת עוד תכונה, היסטרזיס, ואותה נקבל על ידי הוספה של משוב חיובי.

היסטרזיס
איור 2: היסטרזיס. בין ערך הכניסה T לערך הכניסה T- (על ציר x) יש תמיד שני ערכי יציאה אפשריים: M ו- M-. המעבר בין יציאה גבוהה לנמוכה מתרחש רק לפי החצים על הקו האדום, כלומר ניתן 'לנוע' על לולאת החשל רק בכיוון החצים. המשמעות היא שערך היציאה נקבע לפי הכיוון הנוכחי על העקומה, כלומר הלולאה 'זוכרת' אם היציאה גבוהה או נמוכה ופועלת בהתאם. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על יד המשתמש Alessio Damato.

היסטרזיס, או לולאת חשל בעברית, מתארת תרחיש שבו למערכת יש יותר ממצב אחד שבו היא יכולה להיות, והסיבה להיותה באחד המצבים ברגע נתון תלויה גם בתנאי הסביבה בהווה אבל גם בתנאים ששררו בעבר (ראו איור 2). כלומר, מדובר במערכת שזוכרת מאיפה היא באה.

המעגל החשמלי שמתואר באיור 3 מתאר בדיוק מערכת כזאת. מתח היציאה תמיד נמצא במתח הנמוך ביותר או הגבוה ביותר, כתלות באיזה רגל נכנס מתח גבוה יותר. כלומר אם +V גדול מ- Vin אז מתח היציאה בערכו המינימלי ואם להפך אז מתח היציאה בערכו המקסימלי. מכיוון שהנגד הימני סוגר לולאת משוב חיובי (נכנס חזרה לרגל החיובית של מגבר השרת), המתח +V שווה בערכו לשבר כלשהו ממתח היציאה שנקבע על ידי יחס הנגדים.

שמיט טריגר
איור 3: שמיט טריגר. א) איור סכמטי התאר את הרעיון הכללי. היציאה ממגבר A שהיא היציאה של המעגל מוזנת חזרה בסימן חיובי אל הכניסה. ב) אחד הדרכים לממש שמיט טריגר בעזרת מגבר שרת. היציאה מוזנת דרך נגד R2 חזרה אל הרגל הכניסה החיובית. המקור לאיורים: ויקיפדיה, לשם הועלו (בנפרד) על ידי המשתמשים Intgr ו- Inductiveload.

כעת, בואו ננתח את המצב. נניח שמתח היציאה כרגע הוא גבוה ואנחנו מגדילים את מתח הכניסה. כאשר הוא יעלה בערכו על +V , מתח היציאה יתחלף מגבוה לנמוך, כי המתח ברגל השלילית גבוה יותר. אבל בנוסף גם מתח הסף לשינוי מתח היציאה, +V, השתנה כי הוא תלוי במתח היציאה, וזה בדיוק הטריק. אם מיד אחרי השינוי נוריד מעט את מתח הכניסה, מתח היציאה לא ישתנה ויישאר נמוך מכיוון שמתח הסף הדרוש כעת לשינוי נמוך גם הוא. כדי להחזיר את היציאה למצב גבוה נצטרך להוריד את מתח הכניסה אל מתחת לערך הסף החדש. דבר זה יגרום כמובן למתח הסף שוב לקפוץ לערך הגבוה.

אם כך, עבור תחום של מתחי כניסה, אות היציאה יכול לקבל ערכים שונים ונקבע מעשית על ידי זיכרון של מה היה קודם, גבוה או נמוך, וכך מתקבל ההיסטרזיס (ראו איור 2). כל מעגל אלקטרוני שמממש את ההתנהגות הזאת מכונה בעגה 'שמיט טריגר' (Schmitt trigger).

אז למה זה טוב?

בואו נחשוב על הטרמוסטט של המזגן כדוגמה. בתוך המערכת קיים מדחום ששולח אות חשמלי שהוא פרופורציוני לטמפרטורה. כאשר המתח מגיע לערך סף כלשהו שמתאים לטמפרטורה שבחרנו, הקירור מפסיק לפעול. הבעיה היא שכל אות חשמלי תמיד מלווה ברעש, כלומר ערכו נע בתחום כלשהו בצורה אקראית סביב הערך 'האמיתי' (ראו איור 4). כאשר מתח המדחום יגיע למתח הסף, ערכו ירטוט סביב הערך עקב הרעש והמערכת תקבל רצף מהיר של פקודות סותרות לגבי כיבוי והדלקה. אחת הדרכים להתגבר על בעיות מסוג זה היא לחבר את האות לשמיט טריגר שמתח הסף שלו זהה למתח הסף שנדרש. כאשר האות יגיע אל מתח הסף, הפקודה המתאימה תישלח אבל בנוסף מתח הסף ישתנה וימנע שינוי של הפקודה שנשלחה.

רעש ושמיט טריגר
איור 4: רעש ושמיט טריגר. המחשה סכמטית של: א) רעש (לבן) סביב הערך אפס. ב) אות היציאה של מעגל בתגובה לאות הרועש A . U הוא אות היציאה ממגבר שרת ו-B הוא אות היציאה משמיט טריגר (למעשה אותו מעגל בתוספת משוב חיובי). הקו האדום על האות U מסמל את המתח ברגל השניה של מגבר השרת אליו מושוות הכניסה. הקווים הירוקים מסמלים את מתח הסף העליון והתחתון. כפי שניתן לראות השמיט טריגר אינו משנה את היציאה בתגובה לרעשים, אלא רק כאשר אות הכניסה מספיק גבוה או נמוך. המקור לשני האיורים: ויקיפדיה וויקיפדיה, לשם הועלו (בנפרד) על ידי המשתמשים Morn, ו- FDominec בהתאמה.

שימוש נוסף של השמיט טריגר הוא ליצירת מתנד פשוט.

כיצד זה נעשה? נוסיף עוד משוב כמובן. נחבר את יציאת הרכיב דרך נגד כך שתטען קבל שיחובר לכניסה של הרכיב (ראו איור 5). כלומר מתח הקבל בחיבור הזה הוא Vin מאיור 3. נניח שהיציאה כעת במצב גבוה ולכן טוענת את הקבל. כאשר ערכו של מתח הקבל יגיע למתח הסף העליון יציאת הרכיב תשתנה למצב נמוך וכך גם מתח הסף. כעת מתח היציאה יטען את הקבל בכיוון ההפוך, עד שיגיע למתח הסף הנמוך וישנה את מתח היציאה שוב לגבוה. תהליך זה הוא מחזורי ולכן היציאה של המעגל תהיה גל ריבועי מחזורי.

ושאלה\חידה לסיום: האם המשוב שחיברנו לשמיט טריגר ליצירת המתנד הוא משוב חיובי או משוב שלילי?

אוסילטור שמיט טריגר
איור 5: מתנד גל מרובע מבוסס שמיט טריגר. המשולש עם העיגול הקטן בקצהו הוא בעצם המעגל המתואר באיור 3ב.

מודעות פרסומת

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: