Rückkopplung

Der Begriff der Rückkopplung (auch: Rückkoppelung), (engl.: Feedback ([ˈfiːdˌbæk])) stammt aus der elektrischen Schaltungstechnik und bezeichnet den Vorgang, dass ein verstärktes Signal auf seine Quelle bzw. die Eingangsgröße zurückwirkt. Wirkt das Ausgangssignal dabei im Gegensatz zu einer Gegenkopplung verstärkend auf das Eingangssignal, spricht man von einer Mitkopplung. Es kommt zu einer sich selbst verstärkenden Wirkung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, die bis zur Selbsterregung oder dem Eintreten eines qualitativ neuen Zustandes führen kann.
Inzwischen wird der Begriff Rückkopplung bzw. feedback auch im anderen Zusammenhang zur Charakterisierung von chemischen, sozialen oder ökologischen Vorgängen verwendet.

Der Begriff Rückkopplung, insbesondere aber feedback wird auch für negative Rückwirkungen (Gegenkopplung, negative Rückkopplung, Selbstregelung) verwendet.

Auch in der Kybernetik bzw. Systemtheorie wird der Begriff Rückkopplung auf positive und negative Wirkzusammenhänge angewendet. Das Prinzip wurde sowohl in älteren technischen Erfindungen (z. B. der 1788 eingeführte Fliehkraftregler von James Watt, negatie Rückkopplung) als auch in biologischen und sozialen Systemen gefunden. Negative Rückkopplung wird z. B. in der Regeltechnik ausgenutzt, indem der gemessene Istwert (IST-Zustand) , z. B. Raumtemperatur, fortlaufend mit dem Sollwert verglichen wird (SOLL-Zustand, Führungsgröße, z. B. die angestrebte Raumtemperatur).

Wirkungsweise

Je nach Phasenlage bzw. Vorzeichen der zurückgeführten Größe gegenüber der Eingangsgröße ist eine solche Kopplung t.B. selbstverstärkend (Mitkopplung), wenn sie verstärkende Elemente enthält, die phasen- oder vorzeichenrichtig auf den Eingang wirken. Dies kann nützlich oder auch eine Gefahr sein, insbesondere dann, wenn die beteiligten Größen über alle Maßen anwachsen, und durch die Endlichkeit der Umwelt solche Wirkungskreisläufe nicht dauerhaft stabil sein können (umgangssprachlich auch Teufelskreis).
Beispiele: Schuldenfalle, Explosionen, Resonanzkatastrophe, Kettenreaktion, Oszillatorschaltungen, Selbstaussaat von Unkraut, Selbsterregung, feedback (Rockmusik), Magnetron, Reflex-Klystron

Die Rückkopplung ist selbstschwächend, selbstregelnd oder selbstbegrenzend (negative Rückkopplung, Gegenkopplung), wenn die verstärkenden Elemente gegenphasig bzw. mit negativem Vorzeichen auf die Eingangsgröße wirken. Dieses führt zu einer sich verringernden Änderung des Zustandes.
Beispiele:
Das Füllen eines Eimers mit einem Loch im Boden, selbstregelnde Vorgänge in Ökosystemen, Gegenkopplung in Reglern und Verstärkern, Aussetzen von Nützlingen, Asynchronmotor (arbeitet mit nahezu konstanter Drehzahl sowohl als Motor als auch als Generator), Warmwassererhitzer mit Thermostat, Körperwärme-Regulation bei Säugetieren und Menschen

Rückkopplungsschleifen mit Selbstregulationseigenschaften, der Fähigkeit zur Homöostase, nennt man Regelkreise, ihre Anwendung finden sie in der Regelungstechnik und in allen Lebewesen.

Selbsterregung (d.h. das Entstehen von Schwingungen) tritt auch ein, wenn eine negative Kopplung zu langsam einsetzt. Die Werte pendeln dann zwischen den Minima und Maxima, da die Phasenbedingung für eine Gegenkopplung bei hohen Frequenzen nicht mehr gegeben ist. Dies ist ein Spezialfall in Regelkreisen, wenn deren Schleifenverstärkung bei hohen Frequenzen noch so hoch ist, dass sie aufgrund der Summe der Phasenverschiebungen aller Komponenten zur Mitkopplung wird.
Beispiele:
Räuber-Beute-Beziehung, Rhythmus der Cortison-Sekretion, zirkadiane biologische Rhythmen, Menstruationszyklus, Regelschwingungen (Instabilität) von Reglern, Selbsterregung von Verstärkern aufgrund ungeeigneter Gegenkopplung, unzureichender Abschirmung zwischen Ein- und Ausgang oder ungeeigneten Lasten.

Unerwünschte Schwingneigung in einem Regelkreis kann durch geeignete Dimensionierung der Gegenkopplung erreicht werden, insbesondere, indem die Schleifenverstärkung bei hohen Frequenzen soweit verringert wird, dass sie noch vor einer kritischen Phasendrehung unter eins sinkt.

Beispiele und Anwendungsbereiche

Elektrische Schaltungstechnik

1913 entwickelte Edwin Howard Armstrong (* 1890 - † 1954) aufgrund des Phänomens der Rückkopplung bei einer Triode eine Sender- beziehungsweise Empfängerschaltung. Diese Entwicklung geschah gleichzeitig mit sechs anderen Technikern, was weltweite Rechtsstreitigkeiten um Patente zur Folge hatte. 1927 entdeckte der Telefoningenieur Harold Stephen Black, dass man die Qualität eines Signalverstärkers erheblich verbessern kann, indem man einen Teil des Ausgangssignals vom Eingangssignal subtrahiert (Gegenkopplung).

Technische Beispiele:

überkritische positive Rückkopplung von elektrischen Systemen zur Erzeugung von hoch- oder niederfrequenten Schwingungen (astabile Kippschaltungen, u.a. in Funktionsgeneratoren, Oszillatorschaltungen, Sender)
unterkritische positive Rückkopplung (sog. Mitkopplung) von Schwingkreis-Systemen zur Entdämpfung und damit Steigerung des Resonanzwiderstandes (Audion, Q-Multiplier)
negative Rückkopplung (sog. Gegenkopplung) von elektrischen Systemen zur Verringerung von linearen (Frequenzgang-Linearisierung) und nichtlinearen (Verringerung des Klirrfaktors) Verzerrungen.
akustische Rückkopplung, (kurz „Koppeln“ genannt, siehe Feedback (Rockmusik)), verursacht durch die Rückwirkung des verstärkten Schalles auf das Mikrofon
negative Rückkopplung (Gegenkopplung): Fliehkraftregler für Dampfmaschinen: Je höher die Drehzahl, desto weiter schließt der Regler die Dampfzufuhr zur Mascine. Die Drehzahl der Maschine wird stabilisiert bzw. geregelt.

Musikwiedergabe

In der Audiotechnik und in der Tontechnik ist Rückkopplung (kurz Kopplung, siehe auch Feedback (Rockmusik)) eine als störendes unangenehmes Pfeifen wahrgenommene Selbsterregung des Systems Schallaufnehmer/Verstärker/Lautsprecher. Sie kann zum Beispiel zwischen E-Gitarre und Verstärker oder auch Mikrofon und Lautsprecheranlage entstehen. Eine Rückkopplung kann sich ausbilden, wenn ein Lautsprecher das Signal eines Mikrofons wiedergibt und gleichzeitig das Mikrofon dieses Signal erneut aufnimmt, wenn es zu nahe am Lausprecher steht. Das Signal wird erneut verstärkt, über den Lautsprecher wiedergegeben und es entsteht eine elektro-akustische Schleife, die sich bis zur Selbsterregung aufschaukelt. Die Frequenz der Selbsterregung hängt von den frequenzselektiven Eigenschaften und der Phasenverschiebung der Übertragungsstrecke (Luftstrecke, Equalizer, Lautsprecher, Mikrofoneigenschaften, reflektierende Raumwände) ab.

Kopplung ist auch zwischen Lautsprechern und Schallplattenspielern möglich.

Im extremen Fall einer Rückkopplung ist neben der Belästigung der Zuhörer auch die Zerstörung der Lautsprecher möglich, insbesondere die Hochtöner können dadurch beschädigt werden. Tieftonlautsprecher und Subwoofer sind gegen Feedback unempfindlicher und verkraften auch ein stärkeres Feedback als Hochtöner. In Lautsprecherboxen befindliche Frequenzweichen können beschädigt werden.

Unterdrückung von Koppeln bzw. Feedback:
Um Koppeln im Bühnenbetrieb zu vermeiden, können folgende Maßnahmen helfen:

Equalizer, mit denen die Beschallungsanlage beim Soundcheck „eingepfiffen“ wird. Dabei wird absichtlich Feedback erzeugt, das von einem geschulten Techniker nach Gehör mit dem Equalizer minimiert oder beseitigt werden kann, indem diejenigen Frequenzen abgesenkt werden, die zum Koppeln neigen.
Sogenannte Feedback-Destroyer (Feedback-Unterdrücker) erkennen und unterdrücken automatisch kritische Frequenzen, arbeiten aber in der Praxis jedoch nicht zuverlässig.
Mikrofone und Lautsprecher können so aufgestellt werden, dass zwischen ihnen wenig Direktschall möglich ist
der Einsatz von Mikrofonen mit einer geeigneten Richtcharakteristik („Niere“)
der Verzicht auf Mikrofone durch Einsatz von Schwingungsaufnehmern oder elektrischen Instrumenten
Ist das Mikrofon nahe bei der Schallquelle, steigt der Pegel des Nutzsignales, nicht jedoch derjenige des Schalles vom Lautsprecher

Oft tritt Kopplung bei leerem Zuhörersaal eher ein, als bei gefülltem, da die Zuhörer den Schall und dessen Reflexion im Raum dämpfen.

Das Feedback wird in verschiedenen modernen Musikstilen, vor allem aber in der Rockmusik, insbesondere beim Heavy Metal ganz bewusst als Sounddesign zur Klangbearbeitung eingesetzt.

System Erde und Klimaforschung

In der Klimatologie sind viele Rückkopplungen zu beobachten. Bei der Eis-Albedo-Rückkopplung (positive Rückkopplung) wird beispielsweise durch Vereisung mehr Sonnenlicht reflektiert, so dass es kälter wird. Damit können größere Flächen vereisen und es wird noch kälter. Umgekehrt funktioniert der Prozess ebenfalls. Weitere Rückkopplungen beinhalten Wolken-Wasserdampf-Kopplungen oder die Kohlendioxid-Aufnahmefähigkeit von Meeren. Viele dieser Prozesse sind noch nicht genau genug erforscht und erschweren eine genaue Klimavorhersage mit Klimamodellen.

Durch hohen CO₂-Ausstoß wird der Treibhauseffekt verstärkt. Die Erde erwärmt sich, wodurch Dauerfrostböden tauen und Methan freigeben, welches seinerseits einen stärkeren Treibhauseffekt als Kohlendioxid hat.

Medizin und Biologie

Im biologisch-organismischen Bereich erlaubt die negative Rückkopplung die Aufrechterhaltung der Homöostase (Gleichgewichtszustand innerhalb zulässiger Grenzen) eines Systems. Solche Regulationsvorgänge laufen z. B. beim Aufrechterhalten der Körpertemperatur oder bei der Regulation der Genaktivität ab.
Dagegen bedeutet Biofeedback, dass mit technischen (i. a. elektronischen) Hilfsmitteln (z. B. Signalton oder Lampe) dem Bewusstsein eine Werteüberschreitung einer in Echtzeit gemessenen Zustandsgröße (z. B. Hauttemperatur, Muskelspannung/Tonus oder EEG-Wellenamplitude einer vorgewählten Frequenz) rückgemeldet (Feedback gegeben) wird, die ansonsten nicht oder nicht hinreichend deutlich vom menschlichen Bewusstsein wahrgenommen wird und auf diese Weise zeitnah erfahrbar gemacht werden kann. Diese Begriffsbildung stellt damit eine Kombination bzw. Kopplung von Automaten und biologischen Systemen (wie unter 1 und 2 gegeben) dar.

Soziales Feedback

Inzwischen ist die Vorstellung zum Allgemeingut geworden, dass auch Vorgesetzte, Lehrer, Kursleiter oder andere sozial Agierende die Qualität ihres Wirkens verbessern können, indem sie sich Rückkopplung von ihren Untergebenen, Schülern, Kursteilnehmern usw. einholen, die positiv oder negativ sein kann; zumeist wird dafür der englische Ausdruck Feedback verwandt. Auch Rückkopplung auf gleicher Augenhöhe (z. B. bei Schülern bzw. Mitarbeitern untereinander) und auch in die entgegengesetzte Richtung (vom Vorgesetzten, Lehrer usw. zum Untergebenen bzw. Schüler) wird als Feedback bezeichnet. In der Arbeits- und Organisationspsychologie ist es auch zum Abgleich von Ist- und Sollzustand bei der Zielsetzung und -erreichung, zur Rückmeldung z. B. nach Bewerbungsgesprächen oder auch nach erledigten Aufgaben im Betrieb vorgesehen.

Anwendungsfälle in der Personalentwicklung sind z. B. das 360°-Feedback für Führungskräfte, 180°-Feedback für Führungskräfte, oder das Team-Feedback. Anwendungsfälle im Qualitätsmanagement sind das Kunden-Feedback, aber auch die Seminar-Evaluation. Unter Feedback wird dabei allerdings immer nur die bewusste, normalerweise verbale Rückmeldung verstanden (ohne besondere Beachtung der tatsächlichen Wirkung derselben), während der allgemeinere Begriff Rückkopplung auch die nonverbalen und unbewussten Anteile der Kommunikation (z. B. Mimik, Gestik) umfasst.

Regeln zum Feedback Feedback sollte unmittelbar, direkt und konstruktiv gegeben werden. Außerdem sollte Feedback als Ich-Botschaft formuliert werden: "Mir scheint, dass...", " Ich denke, dass..", "Mir kommt es vor, als..".
In einem Feedback sollten die Wahrnehmung, Wirkung und ein Wunsch oder Vorschlag enthalten sein.

Ein Feedback kann auch durch Besucher einer website gegeben werden. Es kann dem Programmierer helfen, deren Gestaltung zu verbessern.

Psychologie

In der allgemeinen Psychologie wird die unbewusste Wahrnehmung des eigenen Ausdruckverhaltens (Köperhaltung, Gestik, Mimik) und deren Wirkung auf das eigene Wohlbefinden als Feedback bezeichnet. Im einem Experiment von Strack et. al. (1988) wird beschrieben, dass die Bewertung des subjektiv empfundenen Witzes von Cartoons besser ausfällt, wenn die Probanden die für Freude typischen Gesichtsmuskeln aktivieren.
In der Psychologie/Kommunikationstheorie hat Paul Watzlawick mit der Beschreibung von Kommunikationskreisläufen, die keinen Anfang und kein Ende haben (also willkürlich "interpunktiert" werden können), Rückkopplungsvorgänge thematisiert. Er spricht dabei von "symmetrischer Eskalation" bzw. von "Komplementarität". Gemeint ist die gegenseitige Bedingtheit der Verhaltensäußerungen von Kommunikationspartnern, die im einen Fall um den gleichen Platz in Konkurrenz geraten, im anderen Fall sich in ergänzenden Rollen gegenseitig bestärken bzw. festhalten.
Ein ähnliches Konzept vertritt Walter Milowiz in einer systemischen Theorie, die er primär auf die Sozialarbeit anwendet. Hier werden Rückkopplungskreise und eskalierende Entwicklungen in der Interaktion zwischen Personen und Ihrer Umgebung als Beschreibung für soziale Problemlagen fokussiert.

Siehe auch