Потенциометр представляет собой трехполюсный резистор со скользящим или вращающимся контактом , образующий регулируемый делитель напряжения . [1] Если используются только две клеммы, один конец и грязесъемник, он действует как переменный резистор или реостат .
Измерительный прибор, называемый потенциометром , по существу представляет собой делитель напряжения , используемый для измерения электрического потенциала (напряжения); компонент является реализацией того же принципа, отсюда и его название.
Потенциометры обычно используются для управления электрическими устройствами, такими как регуляторы громкости аудиооборудования. Он также используется для регулирования скорости вентиляторов. Потенциометры, управляемые механизмом, можно использовать в качестве датчиков положения , например, в джойстике . Потенциометры редко используются для непосредственного управления значительной мощностью (более ватта ), поскольку мощность, рассеиваемая в потенциометре, будет сравнима с мощностью в управляемой нагрузке.
Некоторые термины в электронной промышленности , используемые для описания определенных типов потенциометров:
Потенциометры состоят из резистивного элемента , скользящего контакта (движка), который перемещается вдоль элемента, обеспечивая хороший электрический контакт с одной его частью, электрических клемм на каждом конце элемента, механизма, перемещающего дворник от одного конца к другому. и корпус, содержащий элемент и грязесъемник.
Многие дешевые потенциометры имеют резистивный элемент (B на рисунке в разрезе), имеющий форму дуги окружности, обычно чуть меньше полного оборота, и грязесъемник (C), скользящий по этому элементу при вращении, образуя электрический контакт. Резистивный элемент может быть плоским или наклонным. Каждый конец резистивного элемента подключен к клемме (E, G) на корпусе. Стеклоочиститель подключается к третьей клемме (F), обычно между двумя другими. На потенциометрах панели стеклоочиститель обычно представляет собой центральную клемму из трех. Для однооборотных потенциометров этот грязесъемник обычно совершает менее одного оборота вокруг контакта. Единственной точкой проникновения загрязнений является узкое пространство между валом и корпусом, в котором он вращается.
Другим типом является потенциометр с линейным ползунком, который имеет движок, который скользит вдоль линейного элемента, а не вращается. Загрязнение потенциально может попасть в любое место паза, в котором перемещается ползунок, что затрудняет эффективное уплотнение и ставит под угрозу долгосрочную надежность. Преимущество потенциометра ползунка состоит в том, что положение ползунка дает визуальную индикацию его настройки. Хотя настройку поворотного потенциометра можно увидеть по положению маркировки на ручке, массив ползунков может дать визуальное представление о настройках, как в графическом эквалайзере или фейдерах на микшерном пульте .
Резистивный элемент дешевых потенциометров часто изготавливается из графита . Другие используемые материалы включают резистивную проволоку, углеродные частицы в пластике и смесь керамики и металла, называемую керметом . В потенциометрах с проводящей дорожкой используются проводящие полимерные резисторные пасты, которые содержат износостойкие смолы и полимеры, растворители и смазочные материалы, а также углерод, обеспечивающий проводящие свойства.
Многооборотные потенциометры также приводятся в действие путем вращения вала, но на несколько оборотов, а не на полный оборот. Некоторые многооборотные потенциометры имеют линейный резистивный элемент со скользящим контактом, перемещаемый ходовым винтом; другие имеют винтовой резистивный элемент и дворник, совершающий 10, 20 и более полных оборотов, перемещаясь по спирали при ее вращении. Многооборотные потенциометры, как доступные пользователю, так и предварительно настроенные, позволяют выполнять более точную настройку; вращение на тот же угол меняет настройку обычно на одну десятую меньше, чем для простого поворотного потенциометра.
Струнный потенциометр — это многооборотный потенциометр, управляемый прикрепленной катушкой с проволокой, вращающейся против пружины, что позволяет ему преобразовывать линейное положение в переменное сопротивление.
Доступные пользователю поворотные потенциометры могут быть оснащены переключателем, который обычно срабатывает при крайнем вращении против часовой стрелки. До того, как цифровая электроника стала нормой, такой компонент использовался, чтобы позволить радио- и телеприемникам и другому оборудованию включаться на минимальную громкость слышимым щелчком, а затем громкость увеличивалась поворотом ручки. Несколько резистивных элементов могут быть объединены вместе своими скользящими контактами на одном валу, например, в стереофонических усилителях звука для регулировки громкости. В других приложениях, таких как диммеры домашнего освещения , нормальная схема использования лучше всего удовлетворяется, если потенциометр остается установленным в своем текущем положении, поэтому переключатель приводится в действие нажатием, поочередно включением и выключением, посредством осевых нажатий ручки.
Другие заключены внутри оборудования и предназначены для настройки с целью калибровки оборудования во время производства или ремонта, и к ним нельзя прикасаться иным образом. Обычно они физически намного меньше, чем потенциометры, доступные пользователю, и, возможно, для их управления потребуется отвертка, а не ручка. Их обычно называют потенциометрами (или горшками) «триммер», «триммер [мин]» или «предустановленными» или обобщенной торговой маркой «тримпот». Доступ к некоторым пресетам осуществляется с помощью небольшой отвертки, протыкаемой через отверстие в корпусе, что позволяет выполнять обслуживание без демонтажа.
Взаимосвязь между положением ползуна и сопротивлением, известная как «конусность» или «закон», можно контролировать во время производства путем изменения состава или толщины резистивного покрытия вдоль резистивного элемента. Хотя в принципе возможен любой конус, широко производятся два типа: линейные и логарифмические (также известные как «аудио конус») потенциометры.
Буквенный код может использоваться для определения того, какой конус используется, но определения буквенного кода не стандартизированы. Потенциометры, произведенные в Азии и США, обычно маркируются буквой «A» для логарифмической конусности или буквой «B» для линейной конусности; «C» означает редко встречающуюся обратную логарифмическую конусность. Другие, особенно из Европы, могут иметь маркировку «A» для линейной конусности, «C» или «B» для логарифмической конусности или «F» для обратной логарифмической конусности. [2] Используемый код также различается у разных производителей. Когда процент относится к нелинейному конусу, он относится к значению сопротивления в средней точке вращения вала. Таким образом, конусность логарифма 10% будет измерять 10% общего сопротивления в средней точке вращения; т.е. логарифмическое сужение 10% на потенциометре 10 кОм даст 1 кОм в средней точке. Чем выше процент, тем круче логарифмическая кривая. [3]
Линейный конусный потенциометр ( линейный описывает электрическую характеристику устройства, а не геометрию резистивного элемента) имеет резистивный элемент постоянного поперечного сечения, в результате чего получается устройство, в котором сопротивление между контактом (грязесъемником) и одной концевой клеммой равно пропорциональна расстоянию между ними. Линейные конусные потенциометры [4] применяют, когда коэффициент деления потенциометра должен быть пропорционален углу поворота вала (или положению ползунка), например, органы управления, используемые для регулировки центрирования дисплея на аналоговом электронно-лучевом осциллографе . Прецизионные потенциометры имеют точную взаимосвязь между сопротивлением и положением ползунка.
Потенциометр с логарифмическим конусом — это потенциометр, который имеет смещение, встроенное в резистивный элемент. По сути, это означает, что центральное положение потенциометра не составляет половины общего значения потенциометра. Резистивный элемент спроектирован так, чтобы следовать логарифмической конусности, также известной как математическая экспонента или «квадратный» профиль. Потенциометр с логарифмическим конусом состоит из резистивного элемента, который либо «сужается» от одного конца к другому, либо изготовлен из материала, удельное сопротивление которого варьируется от одного конца к другому. В результате получается устройство, в котором выходное напряжение является логарифмической функцией положения ползунка.
Большинство (более дешевых) «логарифмических» потенциометров не являются точно логарифмическими, а используют две области разного сопротивления (но постоянного удельного сопротивления) для аппроксимации логарифмического закона. Две резистивные дорожки перекрываются примерно при 50% поворота потенциометра; это дает ступенчатую логарифмическую конусность. [5] Логарифмический потенциометр также можно смоделировать (не очень точно) с помощью линейного потенциометра и внешнего резистора. Настоящие логарифмические потенциометры значительно дороже.
Потенциометры с логарифмическим конусом часто используются для регулировки громкости или уровня сигнала в аудиосистемах, поскольку человеческое восприятие громкости звука является логарифмическим в соответствии с законом Вебера-Фехнера .
В отличие от механических потенциометров, в бесконтактных потенциометрах используется оптический диск для срабатывания инфракрасного датчика или магнит для срабатывания магнитного датчика (пока существуют другие типы датчиков, например емкостные, другие типы бесконтактных потенциометров, вероятно, могут быть построен), а затем электронная схема выполняет обработку сигнала для получения выходного сигнала, который может быть аналоговым или цифровым.
Пример бесконтактного потенциометра можно найти в интегральной схеме AS5600. Однако абсолютные энкодеры также должны использовать аналогичные принципы, хотя для промышленного использования их стоимость, безусловно, должна быть невыполнимой для использования в бытовых приборах.
Самый распространенный способ непрерывного изменения сопротивления в цепи — использование реостата . [6] Из-за изменения сопротивления их также можно использовать для регулировки величины тока в цепи. Слово « реостат» было придумано около 1845 года сэром Чарльзом Уитстоном , от греческого ῥέος rheos , означающего «поток», и - στάτης - состояний (от ἱστάναι histanai , «устанавливать, заставлять стоять»), что означает «установщик, регулирующее устройство», [7] [8] [9] представляет собой переменный резистор с двумя выводами. Для применений с низким энергопотреблением (менее 1 Вт) часто используется трехконтактный потенциометр, при этом одна клемма не подключена или подключена к стеклоочистителю.
Если реостат должен быть рассчитан на более высокую мощность (более примерно 1 Вт), он может быть изготовлен с резистивным проводом, намотанным на полукруглый изолятор, при этом дворник скользит от одного витка провода к другому. Иногда реостат изготавливают из резистивной проволоки, намотанной на жаропрочный цилиндр, при этом ползун состоит из нескольких металлических пальцев, которые слегка захватывают небольшую часть витков резистивной проволоки. «Пальцы» можно перемещать вдоль катушки резистивного провода с помощью скользящей ручки, изменяя, таким образом, точку «нажатия». Реостаты с проволочной обмоткой мощностью до нескольких тысяч ватт используются в таких устройствах, как приводы двигателей постоянного тока, средства управления электросваркой или средства управления генераторами. Номинальные характеристики реостата указаны при полном значении сопротивления, а допустимая рассеиваемая мощность пропорциональна доле общего сопротивления устройства в цепи. Реостаты с углеродными сваями используются в качестве нагрузочных блоков для испытаний автомобильных аккумуляторов и источников питания.
Цифровой потенциометр (часто называемый цифровым потенциометром) — это электронный компонент, имитирующий функции аналоговых потенциометров. С помощью цифровых входных сигналов можно регулировать сопротивление между двумя клеммами, как в аналоговом потенциометре. Существует два основных функциональных типа: энергозависимые, которые теряют заданное положение при отключении питания и обычно предназначены для инициализации в минимальном положении, и энергонезависимые, которые сохраняют заданное положение с использованием механизма хранения, аналогичного флэш-памяти или EEPROM . .
Использование цифрового потенциометра гораздо сложнее, чем использование простого механического потенциометра, и существует множество ограничений, которые следует учитывать; тем не менее, они широко используются, часто для заводской настройки и калибровки оборудования, особенно там, где ограничения механических потенциометров проблематичны. Цифровой потенциометр, как правило, невосприимчив к воздействию умеренной длительной механической вибрации или загрязнения окружающей среды в той же степени, что и другие полупроводниковые устройства, и может быть защищен электронно от несанкционированного вмешательства, защищая доступ к его программным входам различными способами.
В оборудовании, которое имеет микропроцессор , FPGA или другую функциональную логику, которая может сохранять настройки и перезагружать их в «потенциометр» каждый раз при включении оборудования, вместо цифрового потенциометра можно использовать умножающий ЦАП , и это может обеспечить более высокие настройки. разрешение, меньший дрейф в зависимости от температуры и большую эксплуатационную гибкость.
Мембранный потенциометр использует проводящую мембрану, которая деформируется скользящим элементом для контакта с резисторным делителем напряжения. Линейность может варьироваться от 0,50% до 5% в зависимости от материала, конструкции и производственного процесса. Точность повторения обычно составляет от 0,1 мм до 1,0 мм с теоретически бесконечным разрешением. Срок службы потенциометров этих типов обычно составляет от 1 до 20 миллионов циклов в зависимости от материалов, используемых при производстве, и метода приведения в действие; Доступны контактный и бесконтактный (магнитный) методы (для определения положения). Доступно множество различных вариантов материалов, таких как ПЭТ , FR4 и каптон. Производители мембранных потенциометров предлагают линейные, поворотные и специальные варианты. Линейные версии могут иметь длину от 9 мм до 1000 мм, а поворотные версии — от 20 до 450 мм в диаметре, при этом каждая имеет высоту 0,5 мм. Для определения положения можно использовать мембранные потенциометры. [10]
Для устройств с сенсорным экраном, использующих резистивную технологию, двумерный мембранный потенциометр обеспечивает координаты x и y. Верхний слой представляет собой тонкое стекло, расположенное близко к соседнему внутреннему слою. Нижняя сторона верхнего слоя имеет прозрачное проводящее покрытие; поверхность слоя под ним имеет прозрачное резистивное покрытие. Палец или стилус деформирует стекло, контактируя с нижележащим слоем. Края резистивного слоя имеют проводящие контакты. Точка контакта определяется путем подачи напряжения на противоположные края, при этом два других края временно остаются несоединенными. Напряжение верхнего слоя обеспечивает одну координату. Отсоединение этих двух ребер и подача напряжения на два других, ранее не соединенных, дает другую координату. Быстрое чередование пар ребер обеспечивает частое обновление положения. Аналого -цифровой преобразователь обеспечивает выходные данные.
Преимущества таких датчиков заключаются в том, что требуется всего пять подключений к датчику, а соответствующая электроника сравнительно проста. Во-вторых, хорошо подойдет любой материал, который продавливает верхний слой на небольшой площади. Недостатком является то, что для установления контакта необходимо приложить достаточную силу. Другая причина заключается в том, что датчику время от времени требуется калибровка, чтобы согласовать местоположение касания с основным дисплеем. (Емкостные датчики не требуют калибровки или контактного усилия, только близость пальца или другого проводящего объекта. Однако они значительно сложнее.)
Потенциометры редко используются для прямого управления значительной мощностью (более ватта или около того). Вместо этого они используются для регулировки уровня аналоговых сигналов (например, регуляторы громкости аудиооборудования ) и в качестве входов управления для электронных схем. Например, диммер использует потенциометр для управления переключением симистора и , таким образом, косвенно для управления яркостью ламп.
Потенциометры с предварительной установкой широко используются в электронике везде, где необходимо вносить изменения во время производства или обслуживания.
Потенциометры, активируемые пользователем, широко используются в качестве пользовательских элементов управления и могут управлять очень широким спектром функций оборудования. Широкое использование потенциометров в бытовой электронике сократилось в 1990-х годах, когда стали более распространенными поворотные инкрементные энкодеры , кнопки вверх/вниз и другие цифровые элементы управления. Однако они остаются во многих приложениях, таких как регуляторы громкости и датчики положения.
Маломощные потенциометры, как скользящие, так и поворотные, используются для управления аудиоаппаратурой, изменения громкости, затухания частоты и других характеристик звуковых сигналов.
«Лога-пот», то есть потенциометр, имеющий сопротивление, конусность или «кривую» (или закон) логарифмической (логарифмической) формы, используется в качестве регулятора громкости в усилителях мощности звука , где его также называют «аудио-конусный потенциометр», потому что амплитудная характеристика человеческого уха приблизительно логарифмическая. Это гарантирует, что при регуляторе громкости, отмеченном, например, от 0 до 10, настройка 5 субъективно звучит вполовину громче, чем настройка 10. Существует также антилогарифмический потенциометр или обратный звуковой конус , который просто является обратной логарифмической величиной. потенциометр. Почти всегда используется в спаренной конфигурации с логарифмическим потенциометром, например, в регулировании баланса звука.
Потенциометры, используемые в сочетании с фильтрами, действуют как регуляторы тембра или эквалайзеры .
В аудиосистемах слово «линейный» иногда сбивает с толку для описания скользящих потенциометров из-за прямолинейного характера физического скользящего движения. Слово «линейный» применительно к потенциометру, независимо от того, является ли он скользящим или поворотным типом, описывает линейную зависимость положения потенциометра от измеренного значения штифта отвода потенциометра (движка или электрического выхода).
Раньше потенциометры использовались для управления яркостью, контрастностью и цветовой чувствительностью изображения. Потенциометр часто использовался для регулировки «вертикального удержания», что влияло на синхронизацию между внутренней схемой развертки приемника (иногда мультивибратором ) и принимаемым сигналом изображения, а также на другие вещи, такие как смещение несущей аудио-видео, частоту настройки (для нажатия -наборы кнопок) и так далее. Это также помогает в частотной модуляции волн.
Потенциометры можно использовать в качестве устройств обратной связи по положению для создания замкнутого контура управления , например, в сервомеханизме . Этот метод управления движением является простейшим методом измерения угла или смещения.
Потенциометры также очень широко используются в составе датчиков перемещения из-за простоты конструкции и способности выдавать большой выходной сигнал.
В аналоговых компьютерах высокоточные потенциометры используются для масштабирования промежуточных результатов с помощью желаемых постоянных коэффициентов или для установки начальных условий для расчета. Потенциометр с приводом от двигателя можно использовать в качестве генератора функций , используя карту нелинейного сопротивления для обеспечения приближений к тригонометрическим функциям. Например, вращение вала может представлять собой угол, а коэффициент деления напряжения можно сделать пропорциональным косинусу угла.
Потенциометр можно использовать в качестве делителя напряжения для получения регулируемого вручную выходного напряжения на ползунке (движке) из фиксированного входного напряжения, приложенного к двум концам потенциометра. Это их наиболее распространенное использование.
Напряжение на R L можно рассчитать по формуле:
Если R L велико по сравнению с другими сопротивлениями (например, входом операционного усилителя ), выходное напряжение можно аппроксимировать более простым уравнением:
В качестве примера предположим , , , и
Поскольку сопротивление нагрузки велико по сравнению с другими сопротивлениями, выходное напряжение V L будет примерно:
Однако из-за сопротивления нагрузки оно на самом деле будет немного ниже: ≈ 6,623 В.
Одним из преимуществ делителя потенциала по сравнению с переменным резистором, включенным последовательно с источником, является то, что, хотя переменные резисторы имеют максимальное сопротивление, при котором всегда будет протекать некоторый ток , делители способны изменять выходное напряжение от максимального ( V S ) до заземление (ноль вольт), когда дворник перемещается от одного конца потенциометра к другому. Однако всегда имеется небольшое контактное сопротивление .
Кроме того, сопротивление нагрузки часто неизвестно, и поэтому простое подключение переменного резистора последовательно с нагрузкой может иметь незначительный или чрезмерный эффект, в зависимости от нагрузки.
