Les Systèmes de Rétroaction traitent les signaux et, en tant que tels, sont des processeurs de signal. La partie de traitement d’un système de rétroaction peut être électrique ou électronique, allant de circuits très simples à des circuits très complexes.

Des circuits de contrôle de rétroaction analogiques simples peuvent être construits à l’aide de composants individuels ou discrets, tels que des transistors, des résistances et des condensateurs, etc., ou en utilisant des circuits intégrés (CI) basés sur des microprocesseurs pour former des systèmes de rétroaction numériques plus complexes.

Comme nous l’avons vu, les systèmes à boucle ouverte sont simplement cela, ouverts, et aucune tentative n’est faite pour compenser les changements dans les conditions de circuit ou les charges en raison des variations dans les paramètres du circuit, tels que le gain et la stabilité, la température, les variations de tension d’alimentation et/ou les perturbations externes. Mais les effets de ces variations “à boucle ouverte” peuvent être éliminés ou du moins considérablement réduits par l’introduction de Rétroaction.

Un système de rétroaction est celui où le signal de sortie est échantillonné puis renvoyé à l’entrée pour former un signal d’erreur qui pousse le système. Dans le tutoriel précédent sur les Systèmes à Boucle Fermée, nous avons vu qu’en général, la rétroaction est composée d’un sous-circuit permettant à une fraction du signal de sortie d’un système de modifier le signal d’entrée effectif de telle manière à produire une réponse qui peut différer substantiellement de la réponse produite en l’absence d’une telle rétroaction.

Les Systèmes de Rétroaction sont très utiles et largement utilisés dans les circuits amplificateurs, les oscillateurs, les systèmes de contrôle de processus ainsi que d’autres types de systèmes électroniques. Mais pour que la rétroaction soit un outil efficace, elle doit être contrôlée, car un système non contrôlé oscillera ou cessera de fonctionner. Le modèle de base d’un système de rétroaction est donné comme suit :

Modèle de Diagramme de Bloc de Système de Rétroaction

Cette boucle de rétroaction de détection, de contrôle et d’actionnement est le concept principal derrière un système de contrôle de rétroaction, et il y a plusieurs bonnes raisons pour lesquelles la rétroaction est appliquée et utilisée dans les circuits électroniques :

• Les caractéristiques des circuits telles que le gain et la réponse du système peuvent être précisément contrôlées.
• Les caractéristiques des circuits peuvent être rendues indépendantes des conditions de fonctionnement telles que les tensions d’alimentation ou les variations de température.
• La distorsion du signal due à la nature non linéaire des composants utilisés peut être considérablement réduite.
• La Réponse en Fréquence, le Gain et la Bande Passante d’un circuit ou d’un système peuvent être facilement contrôlés dans des limites étroites.

Bien qu’il existe de nombreux types de systèmes de contrôle, il n’existe que deux types principaux de contrôle de rétroaction, à savoir : Rétroaction Négative et Rétroaction Positive.

Systèmes de Rétroaction Positive

Dans un “système de contrôle de rétroaction positive”, les points de consigne et les valeurs de sortie sont additionnés par le contrôleur, car la rétroaction est “en phase” avec l’entrée. L’effet de la rétroaction positive (ou régénératrice) est d’”augmenter” le gain du système, c’est-à-dire que le gain global avec rétroaction positive appliquée sera supérieur au gain sans rétroaction. Par exemple, si quelqu’un vous fait des compliments ou vous donne un retour positif à propos de quelque chose, vous vous sentez heureux et plein d’énergie, vous vous sentez plus positif.

Cependant, dans les systèmes électroniques et de contrôle, trop de compliments et de rétroaction positive peuvent augmenter le gain du système de manière excessive, ce qui provoquerait des réponses de circuit oscillatoires à mesure qu’il augmente l’amplitude du signal d’entrée effectif.

Un exemple de systèmes de rétroaction positive pourrait être un amplificateur électronique basé sur un amplificateur opérationnel, ou op-amp comme montré.

Système de Rétroaction Positive

Le contrôle de rétroaction positive de l’op-amp est réalisé en appliquant une petite partie du signal de tension de sortie à Vout vers la borne d’entrée non inverseuse ( + ) via la résistance de rétroaction, R_F.

Si la tension d’entrée Vin est positive, l’op-amp amplifie ce signal positif et la sortie devient plus positive. Une partie de cette tension de sortie est renvoyée à l’entrée par le réseau de rétroaction.

Ainsi, la tension d’entrée devient plus positive, causant une tension de sortie encore plus grande, et ainsi de suite. Finalement, la sortie devient saturée à sa ligne d’alimentation positive.

De même, si la tension d’entrée Vin est négative, l’inverse se produit et la sortie de l’op-amp se saturera à sa ligne d’alimentation négative. Alors, nous pouvons voir que la rétroaction positive n’autorise pas le circuit à fonctionner comme un amplificateur, car la tension de sortie se saturera rapidement à une alimentation ou à l’autre, car avec des boucles de rétroaction positive, “plus mène à plus” et “moins mène à moins”.

Ensuite, si le gain de boucle est positif pour un système quelconque, la fonction de transfert sera : Av = G / (1 – GH). Notez que si GH = 1, le gain du système Av = infini et le circuit commencera à auto-osciller, après quoi aucun signal d’entrée n’est nécessaire pour maintenir les oscillations, ce qui est utile si vous souhaitez créer un oscillateur.

Bien que souvent considéré comme indésirable, ce comportement est utilisé en électronique pour obtenir une réponse de commutation très rapide à une condition ou à un signal. Un exemple de l’utilisation de la rétroaction positive est l’hystérésis dans lequel un dispositif logique ou un système maintient un état donné jusqu’à ce qu’une certaine entrée dépasse un seuil prédéfini. Ce type de comportement est appelé “bi-stabilité” et est souvent associé à des portes logiques et à des dispositifs de commutation numériques tels que des multivibrateurs.

Nous avons vu que la rétroaction positive ou régénératrice augmente le gain et la possibilité d’instabilité dans un système, ce qui peut conduire à une auto-oscillation et ainsi, la rétroaction positive est largement utilisée dans des circuits oscillatoires tels que Oscillateurs et Circuits de Temporisation.

Systèmes de Rétroaction Négative

Dans un “système de contrôle de rétroaction négative”, les points de consigne et les valeurs de sortie sont soustraits l’un de l’autre, car la rétroaction est “hors phase” par rapport à l’entrée originale. L’effet de la rétroaction négative (ou dégénérative) est de “réduire” le gain. Par exemple, si quelqu’un vous critique ou vous donne un retour négatif à propos de quelque chose, vous vous sentez malheureux et donc manquez d’énergie, vous vous sentez moins positif.

Parce que la rétroaction négative produit des réponses de circuit stables, améliore la stabilité et augmente la bande passante de fonctionnement d’un système donné, la majorité de tous les systèmes de contrôle et de rétroaction est dégénérative, réduisant les effets du gain.

Un exemple de système de rétroaction négative est un amplificateur électronique basé sur un amplificateur opérationnel comme montré.

Système de Rétroaction Négative

Le contrôle de rétroaction négative de l’amplificateur est atteint en appliquant une petite partie du signal de tension de sortie à Vout vers la borne d’entrée inverseuse ( – ) via la résistance de rétroaction, Rf.

Si la tension d’entrée Vin est positive, l’op-amp amplifie ce signal positif, mais comme il est connecté à l’entrée inverseuse de l’amplificateur, la sortie devient plus négative. Une partie de cette tension de sortie est renvoyée à l’entrée par le réseau de rétroaction de Rf.

Ainsi, la tension d’entrée est réduite par le signal de rétroaction négative, causant une tension de sortie encore plus petite, et ainsi de suite. Finalement, la sortie se stabilisera à une valeur déterminée par le rapport de gain de Rf ÷ Rin.

De même, si la tension d’entrée Vin est négative, l’inverse se produit et la sortie de l’op-amp devient positive (inversée), ce qui s’ajoute au signal d’entrée négatif. Alors nous pouvons voir que la rétroaction négative permet au circuit de fonctionner comme un amplificateur, tant que la sortie est dans les limites de saturation.

Nous pouvons donc voir que la tension de sortie est stabilisée et contrôlée par la rétroaction, car avec des boucles de rétroaction négatives “plus mène à moins” et “moins mène à plus”.

Ensuite, si le gain de boucle est positif pour un système, la fonction de transfert sera : Av = G / (1 + GH).

L’utilisation de rétroaction négative dans les systèmes d’amplification et de contrôle de processus est répandue, car en règle générale, les systèmes de rétroaction négative sont plus stables que les systèmes de rétroaction positive, et un système de rétroaction négative est dit être stable s’il ne s’oscille pas de lui-même à une fréquence donnée sauf pour une condition de circuit donnée.

Un autre avantage est que la rétroaction négative rend également les systèmes de contrôle plus immunisés contre les variations aléatoires des valeurs des composants et des entrées. Bien sûr, rien n’est gratuit, donc ça doit être utilisé avec prudence, car la rétroaction négative modifie considérablement les caractéristiques opérationnelles d’un système donné.

Classification des Systèmes de Rétroaction

Jusqu’à présent, nous avons vu la façon dont le signal de sortie est “renvoyé” à la borne d’entrée, et pour les systèmes de rétroaction, cela peut être soit, Rétroaction Positive soit Rétroaction Négative. Mais la manière dont le signal de sortie est mesuré et introduit dans le circuit d’entrée peut être très différente, conduisant à quatre classifications de rétroaction de base.

En fonction de la quantité d’entrée amplifiée et de la condition de sortie souhaitée, les variables d’entrée et de sortie peuvent être modélisées soit comme une tension, soit comme un courant. En conséquence, il existe quatre classifications de systèmes de rétroaction à boucle unique dans lesquelles le signal de sortie est renvoyé à l’entrée :

• Configuration Série-Parallel – Tension en entrée et Tension en sortie ou Source de Tension Contrôlée par Tension (VCVS).
• Configuration Parallel-Parallel – Courant en entrée et Tension en sortie ou Source de Tension Contrôlée par Courant (CCVS).
• Configuration Série-Série – Tension en entrée et Courant en sortie ou Source de Courant Contrôlée par Tension (VCCS).
• Configuration Parallel-Série – Courant en entrée et Courant en sortie ou Source de Courant Contrôlée par Courant (CCCS).

Ces noms proviennent de la façon dont le réseau de rétroaction se connecte entre les étapes d’entrée et de sortie comme montré.

Systèmes de Rétroaction Série-Parallel

Rétroaction Série-Parallel, également connue sous le nom de rétroaction de tension série, fonctionne comme un système de rétroaction contrôlée par tension-tension. La tension d’erreur renvoyée par le réseau de rétroaction est en série avec l’entrée. La tension qui est renvoyée de la sortie est proportionnelle à la tension de sortie, Vo car elle est connectée en parallèle, ou en shunt.

Système de Rétroaction Série-Parallel

Pour la connexion série-parallèle, la configuration est définie comme la tension de sortie, Vout à la tension d’entrée, Vin. La plupart des circuits d’amplificateur opérationnel inversé et non inversé fonctionnent avec une rétroaction série-parallèle produisant ce qui est connu sous le nom de “amplificateur de tension”. En tant qu’amplificateur de tension, la résistance d’entrée idéale, Rin est très grande, et la résistance de sortie idéale, Rout est très petite.

Ainsi, la “configuration de rétroaction série-parallèle” fonctionne comme un véritable amplificateur de tension car le signal d’entrée est une tension et le signal de sortie est une tension, donc le gain de transfert est donné par : Av = Vout ÷ Vin. Notez que cette quantité est sans dimension, car ses unités sont volts/volts.

Systèmes de Rétroaction Parallel-Série

Rétroaction Parallel-Série, également connue sous le nom de rétroaction de courant shunt, fonctionne comme un système de rétroaction contrôlée par courant-courant. Le signal de rétroaction est proportionnel au courant de sortie, Io circulant dans la charge. Le signal de rétroaction est renvoyé en parallèle ou shunt avec l’entrée comme montré.

Système de Rétroaction Parallel-Série

Pour la connexion shunt-série, la configuration est définie comme le courant de sortie, Iout à la entrée de courant, Iin. Dans la configuration de rétroaction shunt-série, le signal renvoyé est en parallèle avec le signal d’entrée et, en tant que tel, ce sont les courants, et non les tensions, qui s’ajoutent.

Cette connexion shunt parallèle n’affectera normalement pas le gain de tension du système, car pour une sortie de tension, une entrée de tension est requise. De plus, la connexion série à la sortie augmente la résistance de sortie, Rout, tandis que la connexion shunt à l’entrée diminue la résistance d’entrée, Rin.

Systèmes de Rétroaction Série-Série

Systèmes de Rétroaction Série-Série, également connus sous le nom de rétroaction de courant série, fonctionnent comme un système de rétroaction contrôlée par tension-courant. Dans la configuration de courant série, le signal d’erreur de rétroaction est en série avec l’entrée et est proportionnel au courant de charge, Iout. En réalité, ce type de rétroaction convertit le signal de courant en une tension qui est en fait renvoyée et c’est cette tension qui est soustraite de l’entrée.

Système de Rétroaction Série-Série

Pour la connexion série-série, la configuration est définie comme le courant de sortie, Iout à la tension d’entrée, Vin. Comme le courant de sortie, Iout de la connexion série est renvoyé sous forme de tension, cela augmente à la fois les impédances d’entrée et de sortie du système. Par conséquent, le circuit fonctionne mieux comme un amplificateur de transconductance avec la résistance d’entrée idéale, Rin étant très grande, et la résistance de sortie idéale, Rout étant également très grande.

Systèmes de Rétroaction Shunt-Shunt

Systèmes de Rétroaction Shunt-Shunt, également connus sous le nom de rétroaction de tension shunt, fonctionnent comme un système de rétroaction contrôlée par courant-tension. Dans la configuration de rétroaction shunt-shunt, le signal renvoyé est en parallèle avec le signal d’entrée. La tension de sortie est mesurée et le courant est soustrait du courant d’entrée en shunt, et en tant que tel, ce sont les courants, et non les tensions, qui se soustraient.

Système de Rétroaction Shunt-Shunt

Pour la connexion shunt-shunt, la configuration est définie comme la tension de sortie, Vout au courant d’entrée, Iin. Comme la tension de sortie est renvoyée sous forme de courant à un port d’entrée contrôlé par courant, les connexions shunt aux bornes d’entrée et de sortie réduisent donc l’impédance d’entrée et de sortie. Par conséquent, le système fonctionne mieux comme un système de transimpédance avec la résistance d’entrée idéale, Rin étant très petite, et la résistance de sortie idéale, Rout étant également très petite.

Résumé des Systèmes de Rétroaction

Nous avons vu qu’un Système de Rétroaction est un système dans lequel le signal de sortie est échantillonné puis renvoyé à l’entrée pour former un signal d’erreur qui entraîne le système, et selon le type de rétroaction utilisée, le signal de rétroaction qui est mélangé avec le signal d’entrée du système peut être soit une tension, soit un courant.

La rétroaction changera toujours les performances d’un système et les arrangements de rétroaction peuvent être soit des systèmes de rétroaction positive (régénératifs) soit négatifs (dégénératifs). Si la boucle de rétroaction autour du système produit un gain de boucle qui est négatif, la rétroaction est dite être négative ou dégénérative, l’effet principal de la rétroaction négative étant de réduire le gain du système.

Si cependant le gain autour de la boucle est positif, le système est dit avoir une rétroaction positive ou une rétroaction régénérative. L’effet de la rétroaction positive est d’augmenter le gain, ce qui peut amener un système à devenir instable et à osciller, surtout si GH = -1.

Nous avons également vu que des diagrammes de blocs peuvent être utilisés pour démontrer les différents types de systèmes de rétroaction. Dans les diagrammes de blocs ci-dessus, les variables d’entrée et de sortie peuvent être modélisées soit comme une tension, soit comme un courant et, en tant que tel, il existe quatre combinaisons d’entrées et de sorties qui représentent les types possibles de rétroaction, à savoir : Rétroaction de Tension Série, Rétroaction de Tension Shunt, Rétroaction de Courant Série et Rétroaction de Courant Shunt.

Les noms pour ces différents types de systèmes de rétroaction dérivent de la façon dont le réseau de rétroaction se connecte entre les étapes d’entrée et de sortie, soit en parallèle (shunt) ou en série.

Dans le prochain tutoriel sur les Systèmes de Rétroaction, nous examinerons les effets de la Rétroaction Négative sur un système et verrons comment cela peut être utilisé pour améliorer la stabilité des systèmes de contrôle.