Tilbakekobling
Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Uttrykket Tilbakekobling (engelsk: feedback) blir brukt i forbindelse med systemer som kjenner en inngangsstørrelse og en utgangsstørrelse, hvor inngangsstørrelsen styrer den mere energetiske utgangsstørrelsen mere eller mindre nøyaktig. Begrepet tilbakekobling henviser til at utgangsstørrelsen påvirker, altså endrer, den opprinnelige inngangsstørrelsen.
Man deler fenomenet tilbakekobling inn i to forskjellige grupper, alt etter om tilbakekoblingen virker forsterkende eller svekkende på inngangsstørrelsen. Disse kalles henholdsvis positiv og negativ tilbakekobling.
Man må betrakte to forskjellige inngangsstørrelser: den opprinnelige og den modifiserte (av utgangsstørrelsen). Den opprinnelige inngangsstørrelsen er den som kilden gir fra seg. Den modifiserte størrelsen er den som når frem til systemets inngang, som forsterket eller svekket av systemets utgang.
Positiv tilbakekopling (også kalt medkobling) kan skje ukontrollert og kan gi systemet en kaotisk oppførsel som bringer det til sine grenser. Det kommer av at "mere inn" gir "mere ut" som igjen gir enda mere inn og så enda mere ut og så videre, inntil en systemgrense blir nådd. Et yndet eksempel på dette er mikrofon-forsterker-høyttaler-rom systemet som kan hyle hvis forsterkningen settes kraftig nok opp. Grensen settes oftest av PA-anleggets utgangseffekt. (Moderne PA-utstyr har ofte mekanismer som tar seg av slike tilfeller.) I kontrollerte systemer som anvender positiv tilbakekopling som et middel er grensen satt med målrettede kriterier. En bensinmotor kan tjene som eksempel. Grensen settes av gasspedalen/forgasseren som begrenser drivstofftilførselen. Utgangsstørrelsen er omdreiningstallet. Inngangsstørrelsen er obskur eller null ved positiv tilbakekobling, men kan også være en impuls som setter en prosess i gang, som ved ild som trenger påtenning. Et igangsatt system er oscillatorisk (selvstimulende) og må ikke kjenne eller trenge noen inngangsstørrelse. Positiv tilbakekobling er et fenomen som har innflytelse på både fysiske og biologiske systemer. Noen få eksempeler er eksplosjoner, skred, krangling og inflasjon.
Negativ tilbakekopling (også kalt motkobling) er en meget verdifull teknikk for linearisering av en mengde høyst forskjellige systemer. Negativ tilbakekopling virker som en feilkorreksjon for det opprinnelige systemet. Her kan vi kalle størrelsene for "skal-være"-verdi (kildeverdien), "feil"- eller "korreksjons"-verdien (den modifiserte inngangsverdien) og "er"(eller "nå")-verdien (utgangsstørrelsen). Et eksempel: Øynene sanser posisjonen (er-verdien) og tilbakekobler informasjonen til føttene når posisjonen avviker fra målsettingen (kildeverdien). Dette er negativ tilbakekopling, den virker korrigerende. En går ikke mere til høyre når en alt er kommet for langt til høyre.
Negativ tilbakekopling er allestedsnærværende. En finner den i alt liv og i alle deler av det og på alle nivåer. Uten denne mekanismen er høyere livsformer utenkelige. Eksempelvis Parkinsons sykdom er et angep på tilbakekoblingsmekanismen som behandler styringen av muskelgrupper. Skjelvingen kommer av at en normalt negativ er blitt til en positiv tilbakekopling. Alkohol påvirker flere tilbakekoblingsmekanismer, men også kildeverdien. Negativ tilbakekobling er en svært utbredt metode for linearisering i flere retninger i teknikken. I et atomkraftverk er det en indre positiv tilbakekobling som fører til frigjøringen av energi, mens en ytre negativ tilbakekobling holder systemet innen grenser slik at det ikke eksploderer. Termostaten er del av et negativt tilbakekoblet system.
I forsterkerteknikken (som er en del av reguleringsteknikken, eller kybernetikken) er negativ (og til dels positiv) tilbakekobling hovedingredienser. Med negativ tilbakekobling byttes forsterkningsmengde bort mot å oppnå linearitet. Man bruker ofte en forsterker som internt kan forsterke et signal 10-tusener til ti-millioner ganger i en kobling som forsterker et signal bare et femtalls ganger.
Problemstillingen som førte til oppfinnelsen av negativ tilbakekobling i apparater oppstod innen telefonteknikken, som måtte løse problemet med å transportere talesignaler over store strekninger. Løsningen var gitt: å forsterke signalet på veien, på steder før det blir for svakt. Det igjen betydde at det ble mange forsterkere koblet etter hverandre; ethvert avvik (som eksempelvis et foretrukket frekvensområde eller en forvrengning) ville derigjennom bli meget påfallende hos mottakeren. Den amerikanske elektroingeniøren Harold Stephen Black (1898-1983) arbeidet for Bell Telephone Laboratories og fant opp negativ tilbakekobling i 1927. Han publiserte en klassisk avhandling "Stabilized feed-back amplifiers" om det i 1934. Forsterkerne ble slik svært linjære og hele frekvensområdet fikk samme mengde forsterkning. På dette viset kom signalet frem uten store forandringer.
Illustrasjonen viser et enkelt teknisk system som anvender tilbakekobling og kan behandles matematisk. A er det opprinnelige, energetisk forsterkende systemet. Mengden av tilbakekobling settes av størrelsen B, som er mindre enn 1 i tallverdi og negativ ved negativ tilbakekobling.
Systemet som helhet får forsterkningen
Hvis B er null har systemet bare forsterkningen A.
For stor råforsterkning A og en middels verdi for B blir A*B >> 1 og forsterkningen tilnærmet
Dette uttrykket blir positivt for negativ tilbakekobling.
Det viktige er at A's innflytelse (som for eksempel ulineariteter) forminskes. Det betyr at kvaliteten på utgangssignalet ikke lengre bestemmes av hovedforsterkeren (sålenge A har stor verdi). I elektronikk utføres B som en spenningsdeler laget av elektriske motstander. Siden disse er svært linjære blir også den resulterende forsterkningen Atotal linjær.
Forsterkningen blir uendelig når 
Dette viser i prinsippet det oscillatoriske tilfellet av positiv tilbakekobling. Ved all negativ tilbakekobling kan 
ikke bli 1 eller et annet positivt tall.
Om en tilbakekobling er positiv eller negativ er ikke alltid så greit å holde styr på som det kan virke. Det kommer av eventuelle tidsforsinkelser og at systemet gjelder for hele frekvensområdet. Særlig A, men også B kan være underlagt fasedreininger som varierer med frekvensen. En fasedreining på 180 grader er det samme som å forandre fortegnet. Av denne grunn kan forsterkere og andre systemer lett bli ustabile (oscillatoriske) ved ekstreme frekvenser.
Den svenskfødte ingeniøren Harry Nyquist (1889-1976) utarbeidet de matematiske kriteriene for stabilitet i forsterkere i 1932, ved Bell Telephone Laboratories.
