Electrónica

«Terminología electrónica»

Realimentación negativa¹ —frecuentemente abreviado como NFB, del inglés Negative Feedback—² es un tipo de realimentación en el cual el sistema responde en una dirección opuesta a la señal.¹ El mecanismo consiste en retroactuar sobre alguna entrada del sistema una acción (fuerza, voltaje, etc.) proporcional a la salida o resultado del sistema, de forma que se invierte la dirección del cambio de la salida. Esto tiende a estabilizar la salida, procurando que se mantenga en condiciones constantes. Esto da lugar a menudo a equilibrios (en sistemas físicos) o a homeostasis (en sistemas biológicos) en los cuales el sistema tiende a volver a su punto de inicio automáticamente. Normalmente se suele describir esta acción como que "algo inhibe la cadena de formación anterior para estabilizar algún compuesto cuyo nivel se ha elevado más de lo necesario".

En cambio, la realimentación positiva es una realimentación en la cual el sistema responde en la misma dirección que la perturbación, dando por resultado la amplificación de la señal original en vez de estabilizar la señal. La realimentación positiva y negativa requieren de un bucle de retorno, en comparación con el feed-forward, que no utiliza un bucle de retroalimentación para el control del sistema.

Ejemplos del uso de la realimentación negativa para controlar sistemas son: control de temperatura mediante termostato, lazos de seguimiento de fase, la regulación hormonal o la regulación de temperatura en animales de sangre caliente.

Ejemplo del uso de realimentación negativa son las muchas tipologías de circuitos con amplificadores operacionales en las que una variación en la salida produce una mayor variación en el terminal de entrada negativo que en el positivo. Algunos ejemplos son los siguientes:

Amplificadores operacionales con realimentación negativa
Nombre	Ecuaciones	Esquema	Descripción
Seguidor			Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa).
Amplificador inversor			La señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) multiplicada por una constante y de signo contrario (fase invertida 180 grados).
Amplificador no inversor			Amplifica la señal de entrada multiplicándola por una constante.
Sumador			Su salida es proporcional a la suma, ponderada o no, de los valores de entrada.
Restador			La salida es proporcional a la resta de las entradas. También es llamado amplificador diferencial.
Derivador			Es un circuito que no se suele usar en la práctica ya que no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.
Integrador			El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador.

CONCEPTOS DE SISTEMA

Un sistema es un conjunto de partes, o de eventos, que pueden considerarse como algo simple y completo, como resultado de la interdependencia de dichas partes o eventos. La teoría de sistemas es una forma de pensamiento acerca del mundo, un enfoque para el desarrollo de modelos y considera una serie compleja de procesos, como un todo sencillo. Se denominan componentes o elementos del sistema, a las partes de un sistema (Fig. 20).

Figura 20. Modelo general de un sistema abierto.

 

Regulación del sistema

Los sistemas vivos son abiertos, es decir, dependen del ambiente exterior para entradas y salidas (Fig. 20) y son cibernéticos, utilizan algún tipo de mecanismo de retroalimentación para su autorregulación.

Los sistemas cibernéticos poseen un estado ideal o punto de partida, en el cual se apoya el sistema y emplean parte de la salida para controlar parte de la entrada futura al sistema,retroalimentación. Un ejemplo de sistema cibernético lo constituye un calentador (Fig. 21). El punto de partida corresponde a la temperatura en que se fija el termostato. Cuando se rebasa la temperatura, un mecanismo interno apaga el sistema, es decir, reduce la entrada al sistema, manteniendo el sistema en el punto de partida. Lo mismo sucede, a la inversa, cuando no se alcanza el punto de partida; el mecanismo interno aumenta la entrada al sistema hasta que llega al punto de partida. Como el mecanismo de control reajusta el sistema al punto de partida se conoce como retroalimentación negativa.

Figura 21: Funcionamiento de un calentador como ejemplo de un sistema de retroalimentación negativa.

Los sistemas cibernéticos también pueden contar con retroalimentación positiva, es decir, una tendencia continua a aumentar la separación del punto de partida del sistema.

La tendencia que tienen todos los sistemas biológicos para permanecer en estado de equilibrio, respondiendo a las perturbaciones y estados desfavorables que pueden alterarlos de forma irreversible, se denomina homeostasia.

Los ecosistemas, al igual que ocurre con las poblaciones y organismos que los componen son capaces de autoconservarse y autorregularse. Cuando un factor ambiental o biológico se desvía de su situación de equilibrio, lo mismo que en los sistemas cibernéticos, se pone en marcha un mecanismo de retroalimentación, de manera que el sistema en conjunto tienda a corregir esa desviación y vuelva a la posición original. Naturalmente la corrección de estas desviaciones sólo puede efectuarse dentro de límites, que quedan enmarcados en el denominado plano homeostático; sí, por alguna razón estos límites son superados, el retorno a la posición original queda comprometido y, según sea el tipo e importancia de la alteración producida puede peligrar todo el conjunto. Más allá de dicho límite aparece la retroalimentación positiva.

Los sistemas cibernéticos poseen una placa homeostática, es decir, el sistema tiene ciertos límites dentro de los cuales se presenta la retroalimentación negativa. Sí se supera el límite se llega a la retroalimentación positiva.

La reproducción es un ejemplo común de retroalimentación positiva. En este caso los niños, cuando son adultos dan lugar a más niños, hasta el infinito y se puede llegar a un desastre al escasear los recursos (espacio, comida, etc.). Los mecanismos de retroalimentación negativa para el incremento de la población son los factores de resistencia ambiental.

Algunos mecanismos de control que funcionan a nivel de ecosistema son los que regulan el almacenamiento y la liberación de los elementos nutritivos y la producción y descomposición de las sustancias orgánicas. La introducción de un organismo externo a un ecosistema en equilibrio, puede alterar profundamente, la densidad de las poblaciones allí establecidas, sí el organismo se adapta al ecosistema. Al comienzo de la invasión exitosa del organismo habrán cambios bruscos en las poblaciones que interactúan con el invasor y se requerirá un tiempo relativamente largo para que intervengan los mecanismos de control y reajuste adaptativo de la comunidad.

Los ecólogos describen el ecosistema como un sistema abierto que contiene componentes tanto vivos como un medio abiótico y se compone de subsistemas cibernéticos que presentan características e interacciones propias.

Al estudiar un ecosistema particular se debe determinar el factor tiempo. Si se considera el sistema como algo estático, al estudiar las interacciones entre los componentes se analizan como si fueran constantes e invariables. Un ecosistema se puede considerar como una entidad dinámica cuyos componentes están evolucionando constantemente y, por lo tanto modificando el sistema mismo. La aplicación de este punto de vista es difícil, pero si se logra se obtiene una visión realista del sistema.