Потенциометр представляет собой трехконтактный резистор со скользящим или вращающимся контактом, который образует регулируемый делитель напряжения . [1] Если используются только два вывода, один конец и движок, он действует как переменный резистор или реостат .
Измерительный прибор, называемый потенциометром, по сути является делителем напряжения, используемым для измерения электрического потенциала (напряжения); данный компонент представляет собой реализацию того же принципа, отсюда и его название.
Потенциометры обычно используются для управления электрическими устройствами, такими как регуляторы громкости на аудиооборудовании. Он также используется для управления скоростью вентиляторов. Потенциометры, управляемые механизмом, могут использоваться в качестве датчиков положения , например, в джойстике . Потенциометры редко используются для прямого управления значительной мощностью (более ватта ) , поскольку мощность, рассеиваемая в потенциометре, будет сопоставима с мощностью в контролируемой нагрузке.
Вот некоторые термины, используемые в электронной промышленности для описания определенных типов потенциометров:
Потенциометры состоят из резистивного элемента , скользящего контакта (скользящего контакта), который перемещается вдоль элемента, создавая хороший электрический контакт с одной его частью, электрических клемм на каждом конце элемента, механизма, перемещающего скользящий элемент с одного конца на другой, и корпуса, содержащего элемент и скользящий элемент.
Многие недорогие потенциометры сконструированы с резистивным элементом (B на чертеже в разрезе), сформированным в дугу окружности, обычно немного меньше полного оборота, и скользящим по этому элементу при вращении скользящим скользящим элементом (C), создающим электрический контакт. Резистивный элемент может быть плоским или угловым. Каждый конец резистивного элемента подключен к клемме (E, G) на корпусе. Движок подключен к третьей клемме (F), обычно между двумя другими. В панельных потенциометрах скользящий элемент обычно является центральной клеммой из трех. В однооборотных потенциометрах этот скользящий элемент обычно проходит чуть меньше одного оборота вокруг контакта. Единственной точкой проникновения загрязнений является узкое пространство между валом и корпусом, в котором он вращается.
Другой тип — линейный потенциометр-ползунок, который имеет скользящий элемент, скользящий вдоль линейного элемента вместо вращения. Загрязнение может потенциально попасть в любое место вдоль щели, в которой движется ползунок, что затрудняет эффективную герметизацию и ставит под угрозу долгосрочную надежность. Преимущество потенциометра-ползунка в том, что положение ползунка дает визуальное представление о его настройке. В то время как настройка поворотного потенциометра может быть видна по положению маркировки на ручке, массив ползунков может дать визуальное представление о настройках, как в графическом эквалайзере или фейдерах на микшерном пульте .
Резистивный элемент недорогих потенциометров часто изготавливается из графита . Другие используемые материалы включают резистивную проволоку, углеродные частицы в пластике и керамометаллическую смесь, называемую керметом .
В потенциометрах с токопроводящими дорожками используются токопроводящие полимерные резисторные пасты, содержащие износостойкие смолы и полимеры, растворители и смазку, а также углерод, обеспечивающий токопроводящие свойства.
Многооборотные потенциометры также работают за счет вращения вала, но на несколько оборотов, а не менее чем на один полный оборот. Некоторые многооборотные потенциометры имеют линейный резистивный элемент со скользящим контактом, перемещаемым ходовым винтом; другие имеют спиральный резистивный элемент и движок, который поворачивается на 10, 20 или более полных оборотов, перемещаясь вдоль спирали по мере ее вращения. Многооборотные потенциометры, как доступные пользователю, так и предустановленные, позволяют выполнять более тонкую настройку; поворот на тот же угол обычно изменяет настройку на одну десятую от значения простого поворотного потенциометра.
Струнный потенциометр — это многооборотный потенциометр, работающий с помощью прикрепленной катушки с проволокой, вращающейся против пружины, что позволяет ему преобразовывать линейное положение в переменное сопротивление.
Доступные пользователю поворотные потенциометры могут быть оснащены переключателем, который обычно работает против часовой стрелки. До того, как цифровая электроника стала нормой, такой компонент использовался, чтобы радио- и телевизионные приемники и другое оборудование включались на минимальной громкости со слышимым щелчком, затем громкость увеличивалась поворотом той же ручки. Несколько резистивных элементов могут быть объединены вместе со скользящими контактами на одном валу, например, в стереоусилителях звука для регулировки громкости. В других приложениях, таких как бытовые диммеры освещения , нормальная схема использования лучше всего выполняется, если потенциометр остается установленным в его текущем положении, поэтому переключатель приводится в действие нажатием, попеременно вкл. и выкл., осевыми нажатиями ручки.
Другие потенциометры заключены в оборудование и предназначены только для регулировки при калибровке оборудования во время производства или ремонта, и не должны трогаться каким-либо иным образом. Они обычно физически намного меньше, чем доступные пользователю потенциометры, и могут управляться отверткой, а не ручкой. Их обычно называют «триммерами», «трим[мингами]» или «предустановленными» потенциометрами (или потенциометрами) или обобщенным фирменным названием «тримпот».
Связь между положением ползунка и сопротивлением, известная как «конусность» или «закон», может контролироваться в процессе производства путем изменения состава или толщины резистивного покрытия вдоль элемента сопротивления. Хотя в принципе возможна любая конусность, широко производятся два типа: линейные и логарифмические (также известные как «аудиоконусность») потенциометры.
Буквенный код может использоваться для определения используемого сужения, но определения буквенного кода не стандартизированы. Потенциометры, произведенные в Азии и США, обычно маркируются буквой «A» для логарифмического сужения или «B» для линейного сужения; «C» для редко встречающегося обратного логарифмического сужения. Другие, особенно из Европы, могут быть маркированы буквой «A» для линейного сужения, «C» или «B» для логарифмического сужения или «F» для обратного логарифмического сужения. [2] Используемый код также различается у разных производителей. Когда процент ссылается на нелинейное сужение, он относится к значению сопротивления в средней точке вращения вала. Таким образом, логарифмическое сужение в 10% будет измерять 10% от общего сопротивления в средней точке вращения; т. е. логарифмическое сужение в 10% на потенциометре на 10 кОм даст 1 кОм в средней точке. Чем выше процент, тем круче логарифмическая кривая. [3]
Линейный конический потенциометр ( линейный описывает электрическую характеристику устройства, а не геометрию резистивного элемента) имеет резистивный элемент постоянного поперечного сечения, что приводит к устройству, в котором сопротивление между контактом (скользящим контактом) и одним конечным выводом пропорционально расстоянию между ними. Линейные конические потенциометры [4] используются, когда коэффициент деления потенциометра должен быть пропорционален углу поворота вала (или положению ползунка), например, элементы управления, используемые для регулировки центрирования дисплея на аналоговом электронно-лучевом осциллографе . Прецизионные потенциометры имеют точную связь между сопротивлением и положением ползунка.
Логарифмический конусный потенциометр — это потенциометр, в резистивный элемент которого встроено смещение. По сути, это означает, что центральное положение потенциометра не составляет половину от общего значения потенциометра. Резистивный элемент спроектирован так, чтобы следовать логарифмическому конусу, также известному как математическая экспонента или «квадратный» профиль. Логарифмический конусный потенциометр сконструирован с резистивным элементом, который либо «сужается» от одного конца к другому, либо изготовлен из материала, удельное сопротивление которого меняется от одного конца к другому. Это приводит к устройству, в котором выходное напряжение является логарифмической функцией положения ползунка.
Большинство (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 на 50% поворота потенциометра; это дает ступенчатую логарифмическую конусность. [5] Логарифмический потенциометр также можно смоделировать с помощью линейного и внешнего резистора. Истинные логарифмические потенциометры значительно дороже.
Логарифмические потенциометры часто используются для регулировки громкости или уровня сигнала в аудиосистемах, поскольку человеческое восприятие громкости звука является логарифмическим, согласно закону Вебера-Фехнера .
В отличие от механических потенциометров, бесконтактные потенциометры используют оптический диск для активации инфракрасного датчика или магнит для активации магнитного датчика (поскольку существуют другие типы датчиков, например емкостные, вероятно, можно будет построить и другие типы бесконтактных потенциометров), а затем электронная схема выполняет обработку сигнала для обеспечения выходного сигнала, который может быть аналоговым или цифровым.
Примером бесконтактного потенциометра может служить интегральная схема AS5600. Однако абсолютные энкодеры также должны использовать аналогичные принципы, хотя, будучи предназначены для промышленного использования, их стоимость, безусловно, должна быть нецелесообразной для использования в бытовых приборах.
Наиболее распространенным способом непрерывного изменения сопротивления в цепи является использование реостата . [6] Из-за изменения сопротивления они также могут использоваться для регулировки величины тока в цепи. Слово реостат было придумано в 1843 году сэром Чарльзом Уитстоном , [7] от греческого ῥέος rheos , что означает «поток», и - στάτης - состояния (от ἱστάναι histanai , «устанавливать, заставлять стоять»), что означает «установщик, регулирующее устройство», [8] [9] [10] что представляет собой двухконтактный переменный резистор. Для маломощных приложений (менее 1 Вт) часто используется трехконтактный потенциометр, при этом один контакт не подключен или подключен к движку.
Если реостат должен быть рассчитан на более высокую мощность (более 1 Вт), он может быть изготовлен с помощью резистивной проволоки, намотанной вокруг полукруглого изолятора, с скользящим скользящим щеткой от одного витка проволоки к другому. Иногда реостат изготавливается из резистивной проволоки, намотанной на термостойкий цилиндр, с ползунком, сделанным из нескольких металлических пальцев, которые легко захватывают небольшую часть витков резистивной проволоки. «Пальцы» можно перемещать вдоль катушки резистивной проволоки с помощью скользящей ручки, таким образом изменяя точку «отвода». Проволочные реостаты, изготовленные с номинальными характеристиками до нескольких тысяч ватт, используются в таких приложениях, как приводы двигателей постоянного тока, управление электросваркой или в управлении генераторами. Номинал реостата указывается с полным значением сопротивления, а допустимая рассеиваемая мощность пропорциональна доле общего сопротивления устройства в цепи. Реостаты с углеродным стержнем используются в качестве нагрузочных блоков для тестирования автомобильных аккумуляторов и источников питания.
Цифровой потенциометр (часто называемый цифровым потенциометром) — это электронный компонент, который имитирует функции аналоговых потенциометров. С помощью цифровых входных сигналов можно регулировать сопротивление между двумя клеммами, как и в аналоговом потенциометре. Существует два основных функциональных типа: энергозависимые, которые теряют свое установленное положение при отключении питания и обычно предназначены для инициализации в минимальном положении, и энергонезависимые, которые сохраняют свое установленное положение с помощью механизма хранения, похожего на флэш-память или EEPROM .
Использование цифрового потенциометра гораздо сложнее, чем использование простого механического потенциометра, и существует множество ограничений, которые необходимо соблюдать; 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 приборы, и может быть защищен электронным способом от несанкционированного вмешательства, защищая доступ к его программным входам различными способами.
В оборудовании, имеющем микропроцессор , ПЛИС 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 , что может обеспечить более высокое разрешение настройки, меньший дрейф в зависимости от температуры и большую эксплуатационную гибкость.
Мембранный потенциометр использует проводящую мембрану, которая деформируется скользящим элементом для контакта с резистивным 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 этих типов потенциометров обычно составляет от 1 миллиона до 20 миллионов циклов в зависимости от материалов, используемых при производстве, и метода приведения в действие; доступны контактные и бесконтактные (магнитные) методы (для определения положения). Доступно множество различных вариантов материалов, таких как PET , FR4 и Kapton. 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. Мембранные потенциометры могут использоваться для определения положения. [11]
Для сенсорных устройств, 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 деформируют стекло для контакта с нижележащим слоем. Края резистивного слоя имеют проводящие контакты. Определение точки контакта выполняется путем приложения напряжения к противоположным краям, оставляя два других края временно неподключенными. Напряжение верхнего слоя обеспечивает одну координату. Отключение этих двух краев и приложение напряжения к двум другим, ранее неподключенным, обеспечивает другую координату. Быстрое чередование пар краев обеспечивает частые обновления положения. Аналого -цифровой преобразователь обеспечивает выходные данные.
Преимущества таких датчиков в том, что требуется всего пять соединений с датчиком, а соответствующая электроника сравнительно проста. Другое заключается в том, что любой материал, который надавливает на верхний слой на небольшой площади, работает хорошо. Недостаток заключается в том, что для контакта необходимо приложить достаточное усилие. Другое заключается в том, что датчик требует периодической калибровки для соответствия местоположению касания основному дисплею. (Емкостные датчики не требуют калибровки или контактного усилия, только близости пальца или другого проводящего объекта. Однако они значительно сложнее.)
Потенциометры редко используются для прямого управления значительными мощностями (более ватта или около того). Вместо этого они используются для регулировки уровня аналоговых сигналов (например, для регулировки громкости аудиооборудования ) и в качестве входов управления для электронных схем. Например, диммер света использует потенциометр для управления переключением симистора и, таким образом, косвенно для управления яркостью ламп.
Потенциометры с предварительной установкой широко используются в электронике, где необходимо выполнять регулировку в процессе производства или обслуживания.
Активируемые пользователем потенциометры широко используются в качестве пользовательских элементов управления и могут управлять очень широким спектром функций оборудования. Широкое использование потенциометров в бытовой электронике пошло на спад в 1990-х годах, когда более распространенными стали вращающиеся 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 ползунковые, так и поворотные, используются для управления аудиооборудованием, изменения громкости, затухания частоты и других характеристик аудиосигналов.
«Логовый потенциометр», то есть потенциометр с сопротивлением, конусностью или «кривой» (или законом) логарифмической (логарифмической) формы, используется в качестве регулятора громкости в усилителях мощности звука , где его также называют «аудио-потенциометром конусности», потому что амплитудная характеристика человеческого уха приблизительно логарифмическая. Он гарантирует, что на регуляторе громкости, обозначенном от 0 до 10, например, настройка 5 звучит субъективно в два раза громче, чем настройка 10. Существует также антилогарифмический потенциометр или обратный аудио-потенциометр , который является просто обратным логарифмическому потенциометру. Он почти всегда используется в конфигурации с логарифмическим потенциометром, например, в контроле баланса звука.
Потенциометры, используемые в сочетании с фильтрующими сетями, действуют как регуляторы тембра или эквалайзеры .
В аудиосистемах слово «линейный» иногда применяется в запутанном смысле для описания ползунковых потенциометров из-за прямолинейной природы физического скользящего движения. Слово «линейный», применяемое к потенциометру, независимо от того, ползунковый он или поворотный, описывает линейную зависимость положения потенциометра от измеренного значения вывода потенциометра (скользящего контакта или электрического выхода).
Потенциометры раньше использовались для управления яркостью, контрастностью и цветовым откликом 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, частота настройки (для кнопочных наборов) и т. д. Он также помогает в частотной модуляции волн.
Потенциометры могут использоваться 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 возможности выдавать большой выходной сигнал.
В аналоговых компьютерах высокоточные потенциометры используются для масштабирования промежуточных результатов с помощью желаемых постоянных коэффициентов или для задания начальных условий для расчета. Потенциометр с приводом от двигателя может использоваться в качестве генератора функций , используя нелинейную плату сопротивления для подачи приближений к тригонометрическим функциям. Например, вращение вала может представлять угол, а коэффициент деления напряжения может быть сделан пропорциональным косинусу угла.
Потенциометр может использоваться в качестве делителя напряжения для получения вручную регулируемого выходного напряжения на ползунке (wiper) из фиксированного входного напряжения, приложенного к двум концам потенциометра. Это их наиболее распространенное применение.
Напряжение на R L можно рассчитать по формуле:
Если сопротивление R L велико по сравнению с другими сопротивлениями (например, входное сопротивление операционного усилителя ), выходное напряжение можно приблизительно рассчитать с помощью более простого уравнения: (разделив все на R L и сократив члены с R L в знаменателе)
В качестве примера предположим , , , и
Поскольку сопротивление нагрузки велико по сравнению с другими сопротивлениями, выходное напряжение V L будет приблизительно равно:
Однако из-за сопротивления нагрузки оно фактически будет немного ниже: ≈ 6,623 В.
Одним из преимуществ делителя потенциала по сравнению с переменным резистором, включенным последовательно с источником, является то, что, в то время как переменные резисторы имеют максимальное сопротивление, где некоторый ток всегда будет течь, делители способны изменять выходное напряжение от максимального ( V S ) до земли (ноль вольт), когда движок перемещается от одного конца потенциометра к другому. Однако всегда есть небольшое контактное сопротивление .
Кроме того, сопротивление нагрузки часто неизвестно, и поэтому простое подключение переменного резистора последовательно с нагрузкой может оказать незначительный или чрезмерный эффект в зависимости от нагрузки.
Старение может вызвать прерывистый контакт между резистивной дорожкой и стеклоочистителем при его вращении. При использовании регулятора громкости это вызывает потрескивание. [12]
