Обратные связи в живых организмах

Цепи обратной связи в живом организме.

Чувствительные клетки живого организма непрерывно получают сигналы из внешнего мира и от внутренних органов. По нервным волокнам эти сигналы идут в мозг, анализируются, сопоставляются. А мозг обратно посылает по нервным волокнам командные сигналы, которые управляют и работой всех внутренних органов, и поведением живого организма.

Если мы из теплой комнаты выйдем на мороз, наш мозг немедленно получит сигналы от теплочувствительных клеток, скрытых в коже. По отходящим нервным волокнам мозг пошлет импульсы к сердцу, которое станет энергичнее накачивать кровь; усилится скорость обмена веществ, окислится дополнительное количество «топлива».

Множество регулирующих механизмов поддерживает в нашем организме требуемое кровяное давление, содержание кислот, щелочей. Если мы видим нечто угрожающее, опасное, мозг немедленно посылает сигналы надпочечным железам; они выделяют адреналин, который поступает в кровь, повышает ее свертываемость, ускоряет ритм дыхания, замедляет работу кишечника — организм подготавливается к ответному действию.

К обратным связям, действующим в живом организме, нельзя применить простые термины «положительная», «отрицательная». Получив сигналы, живой организм производит над ними ряд операций анализа, сопоставляет с ранее накопленными впечатлениями. Обратная реакция живого организма на различные воздействия много сложнее реакции простейших автоматических регуляторов, которые показаны на цветном рисунке.

Анализ сигналов в живом организме производится нервными клетками. Чтобы строить автоматы, способные анализировать, сопоставлять сигналы, т. е. обладающие «мыслительными способностями», необходимо иметь нечто подобное живым нервным клеткам. В современной автоматике роль этих клеток играют различные усилители и реле.

 

Езда на перекладных и реле

 

 

Покрытые хлопьями пены, изнуренные кони подтащили к почтовой станции тяжелый дилижанс. Здесь ловкие кучера быстро сменили лошадей, и дилижанс со свежей упряжкой покатил к следующей станции. Так еще не очень давно путешествовали «на перекладных».

Замена уставших лошадей свежими называлась во Франции «реле». В середине прошлого века во многих странах стали строить электрические телеграфы, и тут обнаружилось, что ток батареи передающей станции ослабевает с расстоянием из-за сопротивления проводов и утечки на линии. До конца длинной линии ток доходил настолько ослабевшим, что приемный телеграфный аппарат не работал.

Термин «реле» появился в давние времена. Он означал «перепряжка лошадей на почтовой станции».

И строители телеграфов придумали, как «перепрягать» ток в пути. Всю линию разделили на несколько участков. В конце каждого из них поместили устройство, состоящее из электромагнита с подвижным якорем и контактами. Пришедший издалека слабый ток попадал в обмотку электромагнита. Якорь притягивался к сердечнику и замыкал с помощью контактов цепь тока от местной батареи. И уже этот ток, гораздо более сильный, чем пришедший, направлялся в следующий участок линии.

По сходству с перепряжкой лошадей новый электротехнический прибор назвали старинным французским словом «реле». Электромагнитное реле — электромагнит, якорь которого переключает одну или несколько цепей, — не только старейший прибор современной автоматики, но и один из самых распространенных ее элементов. Многие автоматические защитные и управляющие системы (например, телефонные станции) содержат тысячи электромагнитных реле.

Чувствительные электромагнитные реле требуют для срабатывания, т. е. переключения контактов из одного положения в другое, мощность не более тысячной доли ватта. Самое короткое время срабатывания электромагнитного реле — тысячные доли секунды.

При необходимости время срабатывания можно удлинить (например, в электромагнитных реле времени) до нескольких десятых долей секунды.

Электрическая цепь, по которой проходит к реле слабый сигнал, называется управляющей. Она управляет, командует другой цепью — управляемой, в которой появляется сильный ток.

То, что входит в реле,— это входная мощность, или мощность управления. А та мощность, которой реле управляет, — выходная. Отношение выходной мощности к входной называют коэффициентом управления. Для электромагнитных реле этот коэффициент бывает в пределах от нескольких единиц до нескольких тысяч.

Электрические реле

Электромагнитные реле, применяемые для переключения сравнительно мощных цепей тока (от сотен ватт до сотен киловатт), часто называют контакторами.

В дальнейшем название «реле» стали применять не только к электромагнитным приборам, но и к любым другим устройствам, приводящим в результате сигнала управляющей цепи в действие одну или несколько управляемых цепей. Электронные лампы с управляющей сеткой назвали электронными реле.

Часто словом «реле» называют устройство, связывающее разнородные цепи. Например, фотоэлектрическое реле превращает изменение освещенности в изменение электрического тока. Существуют механоэлектрические и электромеханические реле, пневмоэлектрические и электропневматические реле и т. п.

Словом «реле» в технике сейчас называют такое устройство, которое при плавном изменении входного воздействия переходит скачком из одного положения равновесия в другое: при достижении известного значения входной (управляющей) величины резко, скачком изменяется выходная (управляемая) величина.

Другие устройства, которые при плавном изменении входа дают также плавное, приблизительно пропорциональное, но более мощное изменение выхода, называют усилителями.

 

Взаимные превращения

 

 

Между усилителями и реле нельзя провести резкой границы. Можно сделать так, что контактное электромагнитное реле будет плавно и пропорционально усиливать входную мощность, т. е. работать как усилитель. Для этого надо применить соответствующие схемы включения и режим.

Схема поляризованного реле. При изменении тока в цепи управления якорь реле замыкает то правый, то левый контакт и к нагрузке подводится напряжение то одной, то другой полярности. При плавном изменении управляющего тока в реле напряжение на нагрузке изменяется скачком. Это напоминает опрокидывание качелей.

Наоборот, электронную лампу, используемую в большинстве радиотехнических устройств (в радиоприемниках, радиопередатчиках) как усилитель, можно при соответствующей схеме включения заставить резко, скачком переходить от режима пропускания тока в режим полной непроводимости, и лампа превратится в реле. От электромагнитного реле оно отличается тем, что не имеет подвижных частей, подвижных контактов. Это бесконтактное реле. Время срабатывания такого электронного реле может быть меньше одной миллионной секунды.

В современной автоматике применяют ряд конструкций бесконтактных электрических реле, например дроссели с ферромагнитными сердечниками. Эти же дроссели (ниже мы о них скажем несколько подробнее) используют и в качестве усилителей. Поэтому правильнее говорить не о типах устройств — усилителях или реле, а о режимах работы — усилительных или релейных.

Выбор того или иного реле определяется различными техническими и экономическими соображениями. Например, электронные лампы очень чувствительны. Но катод электронной лампы надо непрерывно накаливать во все время ее работы. Поэтому электронные лампы нельзя применять в устройствах, где расход мощности ограничен.

В некоторых машинах и аппаратах наиболее выгодны гидравлические реле. Иногда предпочтение отдается пневматическим устройствам.