Потенциометр: устройство, принцип работы и применение.

Введение

Тип резистора, обычно с тремя выводами – это электрический компонент.

Потенциометр – это трехвыводной резистор со скользящим или вращающимся контактом, формирующим регулируемый делитель напряжения. При использовании только двух выводов – одного конца и движка – он функционирует как переменный резистор или реостат. Измерительный прибор, называемый потенциометром, по сути является делителем напряжения, используемым для измерения электрического потенциала (напряжения); компонент является реализацией того же принципа, отсюда и его название. Потенциометры широко используются для управления электрическими устройствами, такими как регуляторы громкости в аудиоаппаратуре. Они также применяются для регулирования скорости вращения вентиляторов. Потенциометры, приводимые в действие механизмами, могут использоваться как датчики положения, например, в джойстиках. Потенциометры редко применяются для непосредственного управления значительной мощностью (более одного ватта), поскольку рассеиваемая в потенциометре мощность может быть сопоставима с мощностью контролируемой нагрузки.

Строительство

Потенциометры состоят из резистивного элемента, скользящего контакта (ползунка), который движется вдоль элемента, обеспечивая хороший электрический контакт с одной его частью, электрических выводов на каждом конце элемента, механизма, перемещающего ползунок с одного конца на другой, и корпуса, содержащего элемент и ползунок. Многие недорогие потенциометры построены с резистивным элементом (B на разрезе), сформированным в дугу окружности, обычно немного меньше полного оборота, и ползунком (C), скользящим по этому элементу при вращении, обеспечивая электрический контакт. Резистивный элемент может быть плоским или угловым. Каждый конец резистивного элемента соединен с выводом (E, G) на корпусе. Ползунок соединен с третьим выводом (F), обычно расположенным между двумя другими. У панельных потенциометров ползунок обычно является центральным выводом из трех. Для однооборотных потенциометров этот ползунок обычно совершает чуть меньше одного оборота вокруг контакта. Единственное место для проникновения загрязнений – узкое пространство между валом и корпусом, в котором он вращается. Другой тип – линейный потенциометр-слайдер, в котором ползунок скользит вдоль линейного элемента вместо вращения. Загрязнение потенциально может проникать в любую точку вдоль щели, по которой движется слайдер, что затрудняет эффективную герметизацию и снижает долгосрочную надежность. Преимущество потенциометра-слайдера заключается в том, что положение слайдера дает визуальное представление о его настройке. В то время как настройку поворотного потенциометра можно увидеть по положению метки на ручке, ряд слайдеров 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, частицы углерода в пластике и керамико-металлическую смесь, называемую церметом. В проводящих потенциометрах используются проводящие полимерные резисторные пасты, содержащие износостойкие смолы и полимеры, растворители и смазочные материалы, в дополнение к углероду, обеспечивающему проводящие свойства. Многооборотные потенциометры также управляются вращением вала, но несколькими оборотами, а не менее чем полным оборотом. Некоторые многооборотные потенциометры имеют линейный резистивный элемент со скользящим контактом, приводимым в движение ведущим винтом; другие имеют спиральный резистивный элемент и ползунок, который вращается на 10, 20 или более полных оборотов, перемещаясь вдоль спирали по мере вращения. Многооборотные потенциометры, как доступные пользователю, так и предварительно настроенные, позволяют выполнять более точные регулировки; вращение на тот же угол изменяет настройку обычно в десять раз меньше, чем для простого поворотного потенциометра. Струнный потенциометр – это многооборотный потенциометр, управляемый прикрепленной катушкой проволоки, вращающейся против пружины, что позволяет преобразовывать линейное положение в переменное сопротивление. Поворотные потенциометры, доступные пользователю, могут быть оснащены выключателем, который обычно срабатывает в крайнем положении против часовой стрелки. До появления цифровой электроники такой компонент использовался для включения радио- и телевизионных приемников и другого оборудования при минимальной громкости с щелчком, а затем увеличения громкости путем поворота ручки. Несколько резистивных элементов могут быть объединены вместе с их скользящими контактами на одном и том же валу, например, в стереоусилителях для управления громкостью. В других приложениях, таких как диммеры для домашнего освещения, обычный режим использования лучше всего удовлетворяется, если потенциометр остается установленным в текущем положении, поэтому выключатель управляется нажатием, попеременно включая и выключая, при осевом нажатии на ручку. Другие заключены внутри оборудования и предназначены для регулировки при калибровке оборудования во время производства или ремонта, и в противном случае не трогаются. Они обычно физически намного меньше, чем потенциометры, доступные пользователю, и, возможно, для их управления потребуется отвертка, а не ручка. Их обычно называют "триммерами", "подстроечными" или "предустановленными" потенциометрами (или "потенциометрами"), или запатентованным названием "тримпот". Некоторые предустановленные потенциометры доступны через небольшое отверстие в корпусе отверткой для обслуживания без разборки.

Potentiometers consist of a resistive element, a sliding contact (wiper) that moves along the element, making good electrical contact with one part of it, electrical terminals at each end of the element, a mechanism that moves the wiper from one end to the other, and a housing containing the element and wiper. Many cheap potentiometers are constructed with a resistive element (B in cutaway drawing) formed into an arc of a circle usually a little less than a full turn and a wiper (C) sliding on this element when rotated, making electrical contact. The resistive element can be flat or angled. Each end of the resistive element is connected to a terminal (E, G) on the case. The wiper is connected to a third terminal (F), usually between the other two. On panel potentiometers, the wiper is usually the center terminal of three. For single turn potentiometers, this wiper typically travels just under one revolution around the contact. The only point of ingress for contamination is the narrow space between the shaft and the housing it rotates in. Another type is the linear slider potentiometer, which has a wiper which slides along a linear element instead of rotating. Contamination can potentially enter anywhere along the slot the slider moves in, making effective sealing more difficult and compromising long term reliability. An advantage of the slider potentiometer is that the slider position gives a visual indication of its setting. While the setting of a rotary potentiometer can be seen by the position of a marking on the knob, an array of sliders can give a visual impression of settings as in a graphic equalizer or faders on a mixing console. The resistive element of cheap potentiometers is often made of graphite. Other materials used include resistance wire, carbon particles in plastic, and a ceramic/metal mixture called cermet. Conductive track potentiometers use conductive polymer resistor pastes that contain hard wearing resins and polymers, solvents, and lubricant, in addition to the carbon that provides the conductive properties. Multiturn potentiometers are also operated by rotating a shaft, but by several turns rather than less than a full turn. Some multiturn potentiometers have a linear resistive element with a sliding contact moved by a lead screw; others have a helical resistive element and a wiper that turns through 10, 20, or more complete revolutions, moving along the helix as it rotates. Multiturn potentiometers, both user accessible and preset, allow finer adjustments; rotation through the same angle changes the setting by typically a tenth as much as for a simple rotary potentiometer. A string potentiometer is a multi turn potentiometer operated by an attached reel of wire turning against a spring, allowing it to convert linear position to a variable resistance. User accessible rotary potentiometers can be fitted with a switch which operates usually at the anti clockwise extreme of rotation. Before digital electronics became the norm such a component was used to allow radio and television receivers and other equipment to be switched on at minimum volume with an audible click, then the volume increased, by turning a knob. Multiple resistance elements can be ganged together with their sliding contacts on the same shaft, for example, in stereo audio amplifiers for volume control. In other applications, such as domestic light dimmers, the normal usage pattern is best satisfied if the potentiometer remains set at its current position, so the switch is operated by a push action, alternately on and off, by axial presses of the knob. Others are enclosed within the equipment and are intended to be adjusted to calibrate equipment during manufacture or repair, and not otherwise touched. They are usually physically much smaller than user accessible potentiometers, and may need to be operated by a screwdriver rather than having a knob. They are usually called "trimmer", "trim[ming]", or "preset" potentiometers (or pots), or the genericized brand name "trimpot". Some presets are accessible by a small screwdriver poked through a hole in the case to allow servicing without dismantling.

Соотношение сопротивления и положения: "контурный"

Отношение между положением ползунка и сопротивлением, известное как "характеристика" или "закон изменения сопротивления", может контролироваться при изготовлении путем изменения состава или толщины сопротивляющего покрытия вдоль сопротивляющего элемента. Хотя в принципе возможна любая характеристика, широко используются два типа: линейные и логарифмические (также известные как "аудиохарактеристика") потенциометры. Буквенный код может использоваться для обозначения используемой характеристики, но определения этого кода не стандартизированы. Потенциометры, изготовленные в Азии и США, обычно маркируются буквой "A" для логарифмической характеристики или "B" для линейной характеристики; "C" для редко встречающейся обратной логарифмической характеристики. Другие, особенно из Европы, могут быть маркированы буквой "A" для линейной характеристики, "C" или "B" для логарифмической характеристики, или "F" для обратной логарифмической характеристики. Используемый код также может различаться у разных производителей. Когда с нелинейной характеристикой указывается процент, он относится к значению сопротивления в средней точке поворота вала. Таким образом, логарифмическая характеристика 10% будет показывать 10% от общего сопротивления в середине поворота; то есть, логарифмическая характеристика 10% на потенциометре 10 кОм даст 1 кОм в середине. Чем выше процент, тем круче логарифмическая кривая.

Потенциометр с линейным коническим конусом

Линейный потенциометр (линейный описывает электрические характеристики устройства, а не геометрию сопротивляющего элемента) имеет сопротивляющий элемент постоянного поперечного сечения, что обеспечивает пропорциональность сопротивления между ползунком и одним из крайних выводов расстоянию между ними. Линейные потенциометры используются там, где необходимо, чтобы коэффициент деления потенциометра был пропорционален углу поворота вала (или положению ползунка), например, в регуляторах центрирования изображения на аналоговом осциллоскопе с электронно-лучевой трубкой. Прецизионные потенциометры характеризуются точной зависимостью между сопротивлением и положением ползунка.

Логарифмический потенциометр

Логарифмический потенциометр – это потенциометр, в сопротивляющем элементе которого имеется встроенное смещение. По сути, это означает, что центральное положение потенциометра не соответствует половине его общего сопротивления. Сопротивляющий элемент спроектирован таким образом, чтобы соответствовать логарифмическому профилю, также известному как математическая экспонента или "квадратичный" профиль. Логарифмический потенциометр изготавливается из сопротивляющего элемента, который либо сужается от одного конца к другому, либо из материала, удельное сопротивление которого изменяется по длине. 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 с разным сопротивлением (но постоянным удельным сопротивлением) для аппроксимации логарифмического закона. Эти две резистивные дорожки перекрываются примерно на 50% хода потенциометра, что создает ступенчатый логарифмический профиль. Логарифмический потенциометр также можно имитировать (не очень точно) с помощью линейного потенциометра и внешнего резистора. Настоящие логарифмические потенциометры значительно дороже. Логарифмические потенциометры часто используются для регулировки громкости или уровня сигнала в аудиосистемах, поскольку восприятие человеком громкости звука является логарифмическим, согласно закону Вебера-Фехнера.

Бесконтактный потенциометр

В отличие от механических потенциометров, бесконтактные потенциометры используют оптический диск для активации инфракрасного датчика или магнит для активации магнитного датчика (и пока существуют другие типы датчиков, например, емкостные, вероятно, можно создать и другие типы бесконтактных потенциометров). Затем электронная схема обрабатывает сигнал, выдавая выходной сигнал, который может быть аналоговым или цифровым. Примером бесконтактного потенциометра служит интегральная схема AS5600. Однако абсолютные энкодеры также работают по схожим принципам, хотя их промышленное назначение делает стоимость неприемлемо высокой для использования в бытовой технике.

Реостат

Наиболее распространенным способом непрерывного изменения сопротивления в цепи является использование реостата. Благодаря изменению сопротивления, они также могут использоваться для регулировки величины тока в цепи. Слово "реостат" было придумано в 1843 году сэром Чарльзом Уитстоуном, от греческого ῥέος (rheos), означающего "поток", и στάτης (states) (от ἱστάναι – histanai, "устанавливать, приводить в состояние покоя"), означающего "установщик, регулирующее устройство" – двухконтактный переменный резистор. Для маломощных применений (менее примерно 1 Вт) часто используется трехконтактный потенциометр, при этом один контакт остается неподключенным или подключен к ползунку. Если реостат должен быть рассчитан на большую мощность (более примерно 1 Вт), он может быть изготовлен из сопротивляющей проволоки, намотанной на полукруглый изолятор, с ползунком, скользящим от одного витка проволоки к другому. Иногда реостат изготавливают из сопротивляющей проволоки, намотанной на жаропрочный цилиндр, а ползунок выполнен в виде нескольких металлических пальцев, которые слегка прижимаются к небольшому участку витков проволоки. Эти "пальцы" могут перемещаться вдоль катушки сопротивляющей проволоки с помощью скользящей ручки, тем самым изменяя точку подключения. Проволочные реостаты с мощностью до нескольких тысяч ватт используются в таких приложениях, как приводы двигателей постоянного тока, системы управления электросваркой или системы управления генераторами. Номинальная мощность реостата указывается вместе с полным значением сопротивления, а допустимая мощность рассеяния пропорциональна доле общего сопротивления устройства, включенного в цепь. Углеродные реостаты используются в качестве банков нагрузки для тестирования автомобильных аккумуляторов и источников питания.

Цифровой потенциометр

Цифровой потенциометр (часто называемый диджипотом) — это электронный компонент, имитирующий функции аналоговых потенциометров. С помощью цифровых входных сигналов сопротивление между двумя выводами можно регулировать, как и в аналоговом потенциометре. Существует два основных функциональных типа: энергозависимые, которые теряют установленное положение при отключении питания и обычно инициализируются в минимальном положении, и энергонезависимые, которые сохраняют установленное положение с помощью механизма хранения, аналогичного флэш-памяти или EEPROM. Использование диджипота значительно сложнее, чем использование простого механического потенциометра, и необходимо учитывать множество ограничений; тем не менее, они широко применяются, часто для заводской настройки и калибровки оборудования, особенно в тех случаях, когда ограничения механических потенциометров становятся проблемой. Диджипот, как правило, устойчив 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 путем защиты доступа к его программирующим входам различными способами. В оборудовании, оснащенном микропроцессором, FPGA или другой функциональной логикой, способной хранить настройки и перезагружать их в "потенциометр" при каждом включении, вместо диджипота можно использовать умножающий ЦАП, что может обеспечить более высокое разрешение установки, меньший температурный дрейф и большую гибкость в эксплуатации.

Мембранные потенциометры

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 технологического процесса. Точность повторения обычно составляет от 0,1 мм до 1,0 мм при теоретически бесконечном разрешении. Срок службы этих типов потенциометров обычно составляет от 1 до 20 миллионов циклов, в зависимости от материалов, используемых при производстве, и метода привода; доступны контактные и бесконтактные (магнитные) методы для определения положения. Существует множество различных вариантов материалов, таких как ПЭТ, FR4 и Каптон. Производители мембранных потенциометров предлагают линейные, поворотные и специализированные варианты. Линейные версии могут иметь длину от 9 мм до 1000 мм, а поворотные версии – диаметр от 20 до 450 мм, при высоте 0,5 мм для каждой. Мембранные потенциометры могут использоваться для определения положения. В сенсорных экранах, 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, а поверхность слоя под ним – прозрачное резистивное покрытие. Палец или стилус деформируют стекло для контакта с нижним слоем. Края резистивного слоя имеют проводящие контакты. Определение точки контакта осуществляется путем подачи напряжения на противоположные края, оставляя два других края временно отключенными. Напряжение верхнего слоя определяет одну координату. Отключение этих двух краев и подача напряжения на два других, ранее отключенных, определяет другую координату. Быстрое переключение между парами краев обеспечивает частое обновление положения. Аналого-цифровой преобразователь обеспечивает выходные данные. Преимущества таких датчиков заключаются в том, что требуется всего пять соединений с датчиком, а сопутствующая электроника относительно проста. Еще одно преимущество – любой материал, который оказывает давление на верхний слой на небольшой площади, работает хорошо. Недостатком является необходимость приложения достаточного усилия для установления контакта. Другой недостаток – датчик требует периодической калибровки для соответствия положения касания базовому дисплею. (Емкостные датчики не требуют калибровки или контактного усилия, только близости пальца или другого проводящего объекта. Однако они значительно сложнее.)

A membrane potentiometer uses a conductive membrane that is deformed by a sliding element to contact a resistor voltage divider. Linearity can range from 0.50% to 5% depending on the material, design and manufacturing process. The repeat accuracy is typically between 0.1 mm and 1.0 mm with a theoretically infinite resolution. The service life of these types of potentiometers is typically 1 million to 20 million cycles depending on the materials used during manufacturing and the actuation method; contact and contactless (magnetic) methods are available (to sense position). Many different material variations are available such as PET, FR4, and Kapton. Membrane potentiometer manufacturers offer linear, rotary, and application specific variations. The linear versions can range from 9 mm to 1000 mm in length and the rotary versions range from 20 to 450 mm in diameter, with each having a height of 0.5 mm. Membrane potentiometers can be used for position sensing. For touch screen devices using resistive technology, a two dimensional membrane potentiometer provides x and y coordinates. The top layer is thin glass spaced close to a neighboring inner layer. The underside of the top layer has a transparent conductive coating; the surface of the layer beneath it has a transparent resistive coating. A finger or stylus deforms the glass to contact the underlying layer. Edges of the resistive layer have conductive contacts. Locating the contact point is done by applying a voltage to opposite edges, leaving the other two edges temporarily unconnected. The voltage of the top layer provides one coordinate. Disconnecting those two edges, and applying voltage to the other two, formerly unconnected, provides the other coordinate. Alternating rapidly between pairs of edges provides frequent position updates. An analog to digital converter provides output data. Advantages of such sensors are that only five connections to the sensor are needed, and the associated electronics is comparatively simple. Another is that any material that depresses the top layer over a small area works well. A disadvantage is that sufficient force must be applied to make contact. Another is that the sensor requires occasional calibration to match touch location to the underlying display. (Capacitive sensors require no calibration or contact force, only proximity of a finger or other conductive object. However, they are significantly more complex.)

Приложения

Потенциометры редко используются для непосредственного управления значительной мощностью (более одного ватта). Вместо этого они применяются для регулировки уровня аналоговых сигналов (например, регулировки громкости в аудиоаппаратуре) и в качестве управляющих входов для электронных схем. Например, диммер использует потенциометр для управления переключением ТРИАКа и, следовательно, косвенно для регулировки яркости ламп. Предустановленные потенциометры широко используются в электронике везде, где требуется настройка в процессе производства или обслуживания. Потенциометры, управляемые пользователем, широко применяются в качестве пользовательских элементов управления и могут управлять широким спектром функций оборудования. Распространенность использования потенциометров в бытовой электронике снизилась в 1990-х годах, уступив место роторным инкрементальным энкодерам, кнопкам управления "вверх/вниз" и другим цифровым элементам управления. Тем не менее, они по-прежнему используются во многих областях, таких как регулировка громкости и в качестве датчиков положения.

Аудиоуправление

Потенциометры малой мощности, как слайдерные, так и поворотные, используются для управления аудиооборудованием, регулируя громкость, ослабление частоты и другие характеристики аудиосигналов. "Логарифмический потенциометр" (или "лог-пот") – потенциометр с сопротивлением, конусом или "характеристикой" (или законом) логарифмической формы – используется в качестве регулятора громкости в аудиоусилителях мощности, где его также называют "потенциометром с аудио-характеристикой", поскольку амплитудная чувствительность человеческого уха приблизительно логарифмическая. Это обеспечивает, чтобы при регулировке громкости с делениями от 0 до 10, например, положение 5 воспринималось как вдвое тише, чем положение 10. Существует также антилогарифмический потенциометр (или потенциометр с обратной аудио-характеристикой), который является просто обратным логарифмическому потенциометру. Он почти всегда используется в сдвоенной конфигурации с логарифмическим потенциометром, например, в регуляторе баланса звука. Потенциометры, используемые в сочетании с фильтрами, выступают в качестве регуляторов тембра или эквалайзеров. В аудиосистемах термин "линейный" иногда запутанно применяется для описания слайдерных потенциометров из-за прямолинейности физического движения ползунка. Термин "линейный", применительно к потенциометру, независимо от его типа (слайдерный или поворотный), описывает линейную зависимость между положением потенциометра и измеренным значением напряжения на его центральном выводе (ползунке или электрическом выходе).

Телевидение

В прошлом потенциометры использовались для регулировки яркости, контрастности и цветопередачи изображения. Потенциометр часто применялся для настройки "вертикальной синхронизации", которая влияла на синхронизацию между внутренней схемой развертки приемника (иногда мультивибратором) и принимаемым видеосигналом, а также на другие параметры, такие как смещение несущей аудио- и видеосигнала, частота настройки (в аппаратах с кнопочным управлением) и тому подобное. Он также используется в частотной модуляции волн.

Контроль движения

Потенциометры могут использоваться в качестве датчиков положения для реализации управления по обратной связи, например, в сервоприводах. Этот метод управления движением является наиболее простым способом измерения угла или перемещения.

Передатчики

Потенциометры также широко используются в составе датчиков перемещения благодаря простоте конструкции и возможности получения большого выходного сигнала.

Вычисления

В аналоговых компьютерах высокоточные потенциометры используются для масштабирования промежуточных результатов на заданные постоянные коэффициенты или для задания начальных условий вычисления. Потенциометр с приводом может использоваться как генератор функций, применяя нелинейную карту сопротивлений для получения приближений тригонометрических функций. Например, вращение вала может представлять угол, а коэффициент деления напряжения может быть сделан пропорциональным косинусу этого угла.