 Типичный однооборотный потенциометр | |
| Тип | Пассивный |
|---|---|
| Электронный символ | |
 (Стандарт IEC)  (Стандарт ANSI) | |
Потенциометр является три- терминала резистора с выдвижным или вращающимся контактом , который образует регулируемый делитель напряжения . [1] Если используются только два вывода, один конец и стеклоочиститель, он действует как переменный резистор или реостат .
Измерительный прибор, называемый потенциометром, по сути, 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 на аудиооборудовании. Потенциометры, приводимые в действие механизмом, могут использоваться в качестве датчиков положения , например, в джойстике . Потенциометры редко используются для непосредственного управления значительной мощностью (более ватта ), поскольку мощность, рассеиваемая потенциометром, была бы сопоставима с мощностью управляемой нагрузки.
Номенклатура [ править ]
В электронной промышленности существует ряд терминов, используемых для описания определенных типов потенциометров:
- ползунок или ползунок : потенциометр, который регулируется перемещением дворника влево или вправо (или вверх и вниз, в зависимости от установки), обычно пальцем или большим пальцем
- потенциометр для большого пальца или колесико : небольшой вращающийся потенциометр, который нечасто регулируется с помощью небольшого колесика.
- подстроечный резистор или подстроечный потенциометр : подстроечный потенциометр обычно предназначен для однократной или нечастой регулировки для «точной настройки» электрического сигнала.
Строительство [ править ]
Потенциометры состоят из резистивного элемента , скользящего контакта (стеклоочистителя), который перемещается вдоль элемента, обеспечивая хороший электрический контакт с одной его частью, электрических выводов на каждом конце элемента, механизма, который перемещает стеклоочиститель от одного конца к другому. , и корпус, содержащий элемент и стеклоочиститель.
Многие недорогие потенциометры состоят из резистивного элемента (B на чертеже в разрезе), образующего дугу окружности, обычно немного меньше полного оборота, и скребка (C), скользящего по этому элементу при вращении, обеспечивая электрический контакт. Резистивный элемент может быть плоским или угловым. Каждый конец резистивного элемента подключен к клемме (E, G) на корпусе. Стеклоочиститель подключается к третьей клемме (F), обычно между двумя другими. На панельных потенциометрах стеклоочиститель обычно является центральным контактом из трех. Для однооборотных потенциометров этот стеклоочиститель обычно совершает менее одного оборота вокруг контакта. Единственная точка проникновения загрязнений - это узкое пространство между валом и корпусом, в котором он вращается.
Другой тип - потенциометр с линейным ползунком, который имеет скребок, который скользит по линейному элементу, а не вращается. Загрязнение потенциально может попасть в любой прорезь, в которую входит ползун, что затрудняет эффективное уплотнение и снижает долговременную надежность. Преимущество ползункового потенциометра состоит в том, что положение ползунка дает визуальную индикацию его настройки. В то время как настройку поворотного потенциометра можно увидеть по положению отметки на ручке, набор ползунков может дать визуальное впечатление от настроек, как в графическом эквалайзере или фейдерах на микшерной консоли .
В недорогих потенциометрах резистивный элемент часто делают из графита . Другие используемые материалы включают резистивную проволоку, частицы углерода в пластике и смесь керамики и металла, называемую керметом . В потенциометрах с токопроводящей дорожкой используются пасты для резисторов из токопроводящих полимеров, которые содержат износостойкие смолы и полимеры, растворители и смазочные материалы, а также углерод, который обеспечивает токопроводящие свойства.
Многооборотные потенциометры также управляются вращением вала, но на несколько оборотов, а не менее чем на полный оборот. Некоторые многооборотные потенциометры имеют линейный резистивный элемент со скользящим контактом, перемещаемым ходовым винтом; другие имеют спиральный резистивный элемент и грязесъемник, который совершает 10, 20 или более полных оборотов, перемещаясь по спирали при ее вращении. Многооборотные потенциометры, как доступные для пользователя, так и предварительно установленные, позволяют более тонкую настройку; поворот на один и тот же угол изменяет настройку, как правило, на одну десятую больше, чем для простого поворотного потенциометра.
Струнный потенциометр является многооборотным потенциометр управляется прикрепленной катушкой проволоки поворота против пружины, что позволяет ему преобразовывать линейное положение в переменное сопротивление.
Доступные пользователю поворотные потенциометры могут быть оснащены переключателем, который обычно срабатывает при крайнем повороте против часовой стрелки. До того, как цифровая электроника стала нормой, такой компонент использовался, чтобы позволить радио и телевизионным приемникам и другому оборудованию включаться на минимальной громкости с слышимым щелчком, а затем громкость увеличивалась поворотом ручки. Несколько элементов сопротивления могут быть объединены вместе с их скользящими контактами на одном валу, например, в стереоусилителях звука для регулировки громкости. В других приложениях, например, в бытовых регуляторах освещенности , нормальная схема использования лучше всего удовлетворяется, если потенциометр остается установленным в его текущем положении, поэтому переключатель приводится в действие толкающим действием, попеременно включаемым и выключаемым, посредством осевых нажатий на ручку.
Другие заключены в оборудование и предназначены для настройки для калибровки оборудования во время производства или ремонта, и их нельзя трогать иным образом. Они обычно физически намного меньше, чем доступные для пользователя потенциометры, и, возможно, для управления ими потребуется отвертка, а не ручка. Их обычно называют «предустановленными потенциометрами» или «подстроечными горшками». Доступ к некоторым предустановкам можно получить с помощью небольшой отвертки, проталкиваемой через отверстие в корпусе, что позволяет проводить обслуживание без демонтажа.
Отношение сопротивления к позиции: "конус" [ править ]
Взаимосвязь между положением ползуна и сопротивлением, известная как «конус» или «закон», контролируется производителем. В принципе возможны любые соотношения, но для большинства целей достаточно линейных или логарифмических (также называемых «звуковой конус») потенциометров.
Буквенный код может использоваться для обозначения используемого конуса, но определения буквенного кода не стандартизированы. Потенциометры, произведенные в Азии и США, обычно маркируются буквой «A» для логарифмической конусности или «B» для линейной конусности; «C» - редко встречающийся обратный логарифмический конус. Другие, особенно из Европы, могут быть помечены буквой «A» для линейного конуса, «C» или «B» для логарифмического конуса или буквой «F» для обратного логарифмического конуса. [2]Используемый код также различается у разных производителей. Когда процентное соотношение относится к нелинейному конусу, это относится к значению сопротивления в средней точке вращения вала. Следовательно, конус бревна на 10% будет измерять 10% общего сопротивления в средней точке вращения; т.е. конусность 10% на потенциометре 10 кОм даст 1 кОм в средней точке. Чем выше процент, тем круче логарифмическая кривая. [3]
Потенциометр с линейным конусом [ править ]
Линейный конусности потенциометр ( линейный описывает электрическую характеристику устройства, а не геометрия резистивного элемента) имеет резистивный элемент постоянного поперечного сечения, в результате чего в устройстве , где сопротивление между контактом (стеклоочистители) и один концом терминалом пропорционально расстоянию между ними. Потенциометры с линейным конусом [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 точное соотношение между сопротивлением и положением ползунка.
Логарифмический потенциометр [ править ]
Логарифмическая конусность потенциометр является потенциометром , который имеет уклон , встроенный в резистивный элемент. В основном это означает, что центральное положение потенциометра не составляет половину общего значения потенциометра. Резистивный элемент разработан так, чтобы следовать логарифмическому конусу, также известному как математическая экспонента или «квадратный» профиль. Потенциометр с логарифмическим конусом сконструирован с резистивным элементом, который либо «сужается» от одного конца к другому, либо изготовлен из материала, удельное сопротивление которого изменяется 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 точными логарифмическими, но 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. Истинные логарифмические потенциометры значительно дороже.
Потенциометры с логарифмическим конусом часто используются для измерения громкости или уровня сигнала в аудиосистемах, поскольку человеческое восприятие громкости звука является логарифмическим в соответствии с законом Вебера-Фехнера .
Реостат [ править ]
Самый распространенный способ изменить сопротивление в цепи - использовать реостат . Слово реостат было придумано примерно в 1845 году сэром Чарльзом Уитстоном , от греческого ῥέος rheos, означающего «поток», и - στάτης - состояний (от ἱστάναι histanai , «устанавливать, заставлять стоять»), что означает «установщик, регулирующее устройство», [6] [7] [8] - двухполюсный переменный резистор. Термин «реостат» устаревает, [9]заменив его общим термином «потенциометр». Для приложений с низким энергопотреблением (менее 1 Вт) часто используется трехконтактный потенциометр, при этом одна клемма не подсоединена или подсоединена к дворнику.
Если реостат должен быть рассчитан на более высокую мощность (более примерно 1 Вт), он может быть построен с проводом сопротивления, намотанным на полукруглый изолятор, при этом дворник скользит от одного витка провода к другому. Иногда реостат делают из проволоки сопротивления, намотанной на жаропрочный цилиндр, а ползунок состоит из нескольких металлических пальцев, которые слегка захватывают небольшую часть витков проволоки сопротивления. «Пальцы» можно перемещать по катушке провода сопротивления с помощью скользящей ручки, изменяя, таким образом, точку «касания». Реостаты с проволочной обмоткой, рассчитанные на мощность до нескольких тысяч ватт, используются в таких приложениях, как приводы двигателей постоянного тока, средства управления электросваркой или средства управления генераторами.Номинальные характеристики реостата указаны с полным значением сопротивления, а допустимая рассеиваемая мощность пропорциональна доле общего сопротивления устройства в цепи. Углеродные реостаты используются в качествебанки нагрузки для тестирования автомобильных аккумуляторов и блоков питания.
Реостат Чарльза Уитстона 1843 года с металлическим и деревянным цилиндрами
Реостат Чарльза Уитстона 1843 года с движущимся усом
Электронный символ реостата
Электронный символ для предварительно настроенного реостата
Мощный потенциометр с проволочной обмоткой
Цифровой потенциометр [ править ]
Цифровой потенциометр (часто называемый дигипотом) - это электронный компонент, который имитирует 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 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, подобного флэш-памяти или EEPROM. .
Использование цифрового потенциометра намного 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 являются проблематичными. Цифровой компьютер, 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 электронными средствами от несанкционированного вмешательства путем защиты доступа 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, когда оборудование включается, умножающий ЦАП может использоваться вместо дигипота, и это может предлагать более высокие настройки разрешение, меньший температурный дрейф и большая эксплуатационная гибкость.
Мембранные потенциометры [ править ]
Мембранный потенциометр использует проводящую мембрану, которая деформируется скользящим элементом для контакта с резисторным делителем напряжения. Линейность может составлять 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 этого типа обычно составляет от 1 до 20 миллионов циклов в зависимости от материалов, используемых при производстве, и метода срабатывания; Доступны контактный и бесконтактный (магнитный) методы (для определения положения). Доступно множество различных материалов, таких как ПЭТ., FR4 и Kapton. Производители мембранных потенциометров предлагают линейные, поворотные и специальные варианты исполнения. Линейные версии могут иметь длину от 9 мм до 1000 мм, а поворотные версии - от 20 до 450 мм в диаметре, каждая из которых 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 токопроводящее покрытие; поверхность нижележащего слоя имеет прозрачное резистивное покрытие. Палец или стилус деформируют стекло, чтобы соприкоснуться с нижележащим слоем. Края резистивного слоя имеют токопроводящие контакты. Определение точки контакта осуществляется путем приложения напряжения к противоположным краям, при этом два других края временно остаются неподключенными. Напряжение верхнего слоя обеспечивает одну координату. Отсоединение этих двух кромок и приложение напряжения к двум другим, ранее не подключенным, обеспечивает другую координату. Быстрое чередование пар ребер обеспечивает частое обновление положения. Anаналого-цифровой преобразователь обеспечивает выходные данные.
Преимущества таких датчиков состоят в том, что требуется всего пять подключений к датчику, а соответствующая электроника сравнительно проста. Во-вторых, хорошо подойдет любой материал, который вдавливает верхний слой на небольшую площадь. Недостатком является то, что для контакта необходимо приложить достаточное усилие. Другой заключается в том, что датчику требуется периодическая калибровка, чтобы сопоставить местоположение касания с расположенным ниже дисплеем. (Емкостные датчики не требуют калибровки или контактного усилия, только близость пальца или другого проводящего объекта. Однако они значительно сложнее.)
Приложения [ править ]
Потенциометры редко используются для непосредственного управления значительными количествами мощности (более ватта или около того). Вместо этого они используются для регулировки уровня аналоговых сигналов (например, регуляторы громкости на аудиооборудовании ) и в качестве управляющих входов для электронных схем. Например, диммер использует потенциометр для управления переключением TRIAC и, таким образом, косвенно для управления яркостью ламп.
Потенциометры с предварительной настройкой широко используются в электронике везде, где требуется регулировка во время производства или обслуживания.
Управляемые пользователем потенциометры широко используются в качестве пользовательских элементов управления и могут управлять очень широким спектром функций оборудования. Повсеместное использование потенциометров в бытовой электронике снизилось в 1990-х годах, когда стали более распространены поворотные инкрементальные энкодеры , кнопки вверх / вниз и другие цифровые элементы управления. Однако они остаются во многих приложениях, таких как регуляторы громкости и датчики положения.
Управление звуком [ править ]
Потенциометры малой мощности, как ползунковые, так и поворотные, используются для управления звуковым оборудованием, изменения громкости, ослабления частоты и других характеристик звуковых сигналов.
« Логарифмический горшок », то есть потенциометр, имеющий сопротивление, конус или «кривую» (или закон) логарифмической (логарифмической) формы, используется в качестве регулятора громкости в усилителях мощности звука , где его также называют «звуковой конусный горшок», потому что амплитудная характеристика человеческого уха приблизительно логарифмическая. Это гарантирует, что на регуляторе громкости, помеченном, например, от 0 до 10, значение 5 субъективно звучит вдвое громче, чем значение 10. Также имеется анти-логарифмический потенциометр или обратная звуковая конусность, которая просто является обратной логарифмической потенциометр. Он почти всегда используется в групповой конфигурации с логарифмическим потенциометром, например, в регуляторе баланса звука.
Потенциометры, используемые в сочетании с сетями фильтров, действуют как регуляторы тембра или эквалайзеры .
В аудиосистемах слово линейный иногда используется для описания ползунковых потенциометров непонятным образом из-за прямолинейного характера физического скользящего движения. Слово линейный, когда применяется к потенциометру, независимо от того, является он скользящим или вращающимся типом, описывает линейную зависимость положения потенциометра от измеренного значения штифта крана потенциометра (стеклоочистителя или электрического выхода).
Телевидение [ править ]
Раньше потенциометры 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, наряду с другими вещами, такими как смещение несущей аудио-видео, частота настройки (для нажатия -кнопки) и так далее. Это также помогает при частотной модуляции волн.
Управление движением [ править ]
Потенциометры могут использоваться в качестве устройств обратной связи по положению для создания управления с обратной связью , например, в сервомеханизме . Этот метод управления движением - самый простой метод измерения угла или смещения.
Преобразователи [ править ]
Потенциометры также очень широко используются в составе датчиков смещения из-за простоты конструкции и из-за того, что они могут давать большой выходной сигнал.
Вычисление [ править ]
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 может использоваться в качестве генератора функций , используя карту нелинейного сопротивления для обеспечения приближения к тригонометрическим функциям. Например, вращение вала может представлять собой угол, а коэффициент деления напряжения можно сделать пропорциональным косинусу угла.
Теория работы [ править ]
Потенциометр можно использовать в качестве делителя напряжения для получения регулируемого вручную выходного напряжения на ползунке (дворнике) из фиксированного входного напряжения, приложенного к двум концам потенциометра. Это их наиболее частое использование.
Напряжение на R L можно рассчитать следующим образом:
Если R L велико по сравнению с другими сопротивлениями (например, входом в операционный усилитель ), 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 приблизительно:
Из - за сопротивления нагрузки, однако, на самом деле будет несколько ниже: ≈ 6,623 V .
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 течь некоторый ток , делители могут изменять выходное напряжение от максимального ( V S ) до заземление (ноль вольт), когда стеклоочиститель перемещается от одного конца потенциометра к другому. Однако всегда присутствует небольшое контактное сопротивление .
Кроме того, сопротивление нагрузки часто неизвестно, и поэтому простое включение переменного резистора последовательно с нагрузкой может иметь незначительный или чрезмерный эффект, в зависимости от нагрузки.
См. Также [ править ]
- Потенциометрический датчик
- Триммер
Ссылки [ править ]
- ^ Авторитетный словарь терминов стандартов IEEE (IEEE 100) (седьмое изд.). Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE Press. 2000. ISBN 0-7381-2601-2.
- ^ «Руководство по резистору» . Проверено 3 января 2018 .
- ^ Эллиот, Род. «Руководство по потенциометрам для начинающих» . Звуковые продукты Elliott . Проверено 7 июня 2012 года .
- ^ Петерсон, Филипп. «Схема прецизионного потенциометра линейного типа» (PDF) . Прецизионные датчики . Бетатроникс . Проверено 29 апреля 2015 года .
- ^ "Конус потенциометра" . Руководство по резисторам . Проверено 19 ноября 2012 года .
- ^ Брайан Бауэрс (редактор), сэр Чарльз Уитстон FRS: 1802-1875 , IET, 2001 ISBN 0-85296-103-0 стр.104-105
- ^ "stat" . Оксфордский словарь английского языка (Интернет-изд.). Издательство Оксфордского университета. (Требуется подписка или членство в учреждении-участнике .)
- ^ ῥέος , ἱστάναι . Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский лексикон в проекте Perseus .
- ↑ Долан, Александр. «История потенциометра и терминология» . Сенсорный журнал . Журнал истории датчиков . Проверено 29 апреля 2015 года .
- ^ Белая книга мембранного потенциометра
Дальнейшее чтение [ править ]
- Справочник по потенциометрам ; 1ed; Карл Тодд; Макгроу-Хилл; 300 страниц; 1975; ISBN 978-0070066908 . (скачать)
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме потенциометров . |
- Руководство по потенциометрам для начинающих
- Фотографии измерительных потенциометров
- Электрическое калибровочное оборудование, включая различные измерительные потенциометры
- Тайная жизнь горшков - Потенциометры для вскрытия и ремонта
- Изготовление реостата
- Расчет потенциометра как делителя напряжения - нагруженная и разомкнутая (ненагруженная) цепь
