Tegenkoppeling  < in bewerking >                                                                                                    <laatst bijgewerkt:  2014-12-15>
In het kort:
Tegenkoppeling (Eng: negative feedback) is een mechanisme dat overal in de techniek gebruikt wordt om onnauwkeurigheden en niet-lineariteiten in allerlei systemen te onderdrukken. Ook in de biologie (fysiologie) van planten, dieren en andere levensvormen zijn talloze tegenkoppelmechanismes werkzaam.
Tegenkoppeling wordt in audioversterkers gebruikt om vervorming tegen te gaan en om de soms sterke spreiding van eigenschappen van actieve elementen (transistors en buizen) te ondervangen.
Het gebruik van tegenkoppeling vereist van de ontwerper van een versterker een bepaalde mate van inzicht in de randvoorwaarden, en daar is het bij -vooral amteur ontwerpen - wel eens misgegaan. Mogelijk is er daardoor in sommige kringen in Hifi-land de indruk ontstaan dat tegenkoppeling in versterkers "het geluid plat slaat" of iets dergelijks. Dit is volstrekt onterecht.

Verwante onderwerpen:  
vervorming,  luidsprekerdemping

  

 

Deze pagina is in aanbouw.

 

Inleiding

Basisbegrip

Frequentie afhankelijkheid (1)

 


Inleiding

Tegenkoppeling (eng: feed back) is een in de elektronica en vele andere technieken alom gebruikte methode om systemen een voorspelbaar en stabiel gedrag te geven. In het bijzonder worden de niet-lineariteiten en de spreiding van eigenschappen van actieve elementen zoals transistoren en buizen onderdrukt.

In de High-end hifi wereld bestaan er veel misverstanden over tegenkoppeling. Volgens sommigen is tegenkoppeling zelfs een taboe en een "sound killer". Men vergeet even dat op talloze plaatsen in de audio keten uitgebreid gebruik gemaakt wordt van tegenkoppeling. Je ziet het alleen niet altijd onmiddelijk.

 

Het is wel zo dat een verkeerd gebruik van tegengekoppelde schakelingen tot zeer ongewenste effecten kan leiden. De boosdoener is dan echter niet het principe van tegenkoppeling, maar een verkeerd gekozen schakeling die men met tegenkoppeling probeert in het gareel te krijgen, of domweg onvoldoende kennis en inzicht in de manier waarop je met tegengekoppelde circuits moet omgaan.

 

Voorlopig behandel ik in dit hoofdstuk alleen de meest belangrijke uitgangspunten en enkele veel voorkomende complicaties.


Basisbegrip

Voor het basisbegrip van tegenkoppeling moeten we eerst kijken naar een algemene voorstelling van een (spannings) versterker.

 

 tegenkopp-1.gif

Het is een goede gewoonte om elektronische schema's zo te tekenen dat de belangrijkste signaal-loop van links naar rechts gaat.

Het driehoekje stelt de feitelijke versterker voor. De aansluitingen van voedingsspanning en zo zijn voor het gemak weggelaten. De versterker versterkt alleen het spanningsverschil tussen de + en de - ingang. De rechter punt van de driehoek stelt de uitgang van de versterker voor. Op die uitgang ontstaat een spanning die gelijk is aan G maal het verschil tussen de + en de - ingang.  Die G is vaak erg groot. Als de + en - ingang gelijk-op gaan levert dat geen uitgangssignaal op. 

 

Ik heb de versterker hier al in een tegengekoppelde situatie getekend. De weerstanden R1 en R2 vormen een spanningsdeler die 1/11 van het uitgangssignaal terugvoert naar de - ingang. Omdat G erg groot is zal de versterker z'n uitgang zo instellen dat het verschil tussen de - en de + ingang erg klein is. Derhalve wordt de totale versterking van deze schakeling zeer precies 11 keer, zelfs ongeacht hoe groot die G precies is. 

We noemen het verschil tussen de + ingang en de - ingang ook nog wel eens het "fout-signaal". Dit verschil geeft immers aan wat er niet klopt tussen in- en uitgang. afgezien van de spanningsdeling door R1 en R2.  

(Als je dit niet onmiddelijk inziet moet je er nog maar eens een nachtje of wat over slapen, want dit is echt de crux van tegengekoppelde systemen: het uitgangs signaal is het vele malen versterkte fout-signaal. Het Duits heeft een paar kernachtige termen hiervoor: de Istwert en de Sollwert. In het Nederlands de actuele waarde en de gewenste waarde. Het verschil tussen die twee is het "fout signaal" of eng: "error signal")

 

Ook als je veel van deze schakelingen bouwt en de G van al die versterkers loopt nogal uiteen (we noemen dat de spreiding) zullen al die versterkers tamelijk precies 11 keer versterken.

De praktijk is dat de versterking van actieve elementen zoals buizen, transistoren en ge´ntegreerde OpAmps nogal uiteenloopt van exemplaar tot exemplaar. Door het toepassen van tegenkoppeling wordt de versterking vooral bepaald door de weerstanden die met een veel grotere precisie gemaakt worden.


Frequentie afhankelijkheid (1)

Bij bijna alle praktische versterkers neemt de versterking af met toenemende frequentie. Je ziet dat in de blauwe lijn in de onderstaande grafiek. Die geeft de versterking voor een typische OpAmp, zonder tegenkoppeling. Er zijn zowel voor de versterking als voor de frequentie logarithmische schalen gebruikt, omdat het anders onoverzichtelijk zou worden.

Op de horizontale as staat de frequentie, op de vertikale de versterking. Voor de laatste is de schaal zowel in aantal keren versterking als in deciBel (dB) gegeven.

 

 

 tegenkopp-2.gif

 

 

tegenkoppeling

Bij signaal- zowel als eindversterkers wordt vaak de volgende strategie toegepast: De eigenlijke versterker versterkt het signaal veel meer dan nodig is. Door vervolgens een deel van het uitgangssignaal terug te voeren naar een ingang die een tegengesteld effect heeft wordt de versterking terug gebracht tot de gewenste hoeveelheid.
De voordelen van deze truuk zijn vooral dat de eigenschappen van de uiteindelijke versterker minder afhankelijk zijn van die eigenlijke versterker, maar vooral bepaald worden door het -meestal zeer eenvoudige- tegenkoppelnetwerk.
Het op de juiste wijze toepassen van tegenkoppeling in versterkers leidt tot:
- minder vervorming
- vlakker frequentie bereik
- betere tijdresponsie (impuls responsie)

- lagere uitgangs impedantie (grotere dempingsfactor)
- minder afhankelijkheid van spreiding in of veroudering van de eigenschappen van actieve componenten (transistoren, buizen) in de versterker,
- minder last van variaties in voedingsspanning e.d.
We spreken van een sterke tegenkoppeling als de eigenlijke versterker zeer veel meer versterkt dan wat er netto met tegenkoppeling overblijft.
Het op de juiste wijze toepassen van sterke tegenkoppeling vergt goed inzicht in het gedrag van de eigenlijke versterker, ook bij zeer hoge frequenties. (bij buizen versterkers ook bij zeer lage frequenties, in verband met de transformator) 
Omdat sommigen door onkunde over de randvoorwaarden bij hoge of lage frequenties problemen ondervonden bij het toepassen van tegenkoppeling is er een school ontstaan van lieden die tegenkopeling in het algemeen afwijzen. Hier is duidelijk het paard achter de wagen gespannen.


terugkoppeling
Een term die nog wel eens gebruikt wordt terwijl men tegenkoppeling bedoelt.
Er zijn in de elektronica enkele situaties waarin er gebruik gemaakt wordt van (positieve) terugkoppeling. De meest bekende is bij de elektronische toerental regeling van een DC-motor. Hierbij wordt de stroom door de motor gemeten en teruggevoerd naar de spanningsregelaar die de motor voedt. Dit principe staat ook bekend als "ankerstroom terugkoppeling" 
Enkele van de Philips platenspelers "402-electronic" als ik me goed herinner, uit de jaren midden 1960 gebruikten dit principe om het toerental van de draaitafel constant te houden.