Как работает потенциометр?

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал.

Электрическая схема потенциометрического датчика приведена на рис. 25

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

– проволочные с непрерывной намоткой;

– с резистивным слоем.

Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм, низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Преимущества потенциометрических датчиков:

-малые габариты и вес;

-высокая степень линейности статических характеристик;

-возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки потенциометрических датчиков:

-наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибания ползунка;

-искажение статической  характеристики под влиянием  нагрузки;

-сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

-наличие зоны нечувствительности у проволочных потенциометрических датчиков.

Статическую характеристику нереверсивного потенциометрического датчика (См. рисунок 26) рассмотрим на примере потенциометрического датчика с непрерывной намоткой. К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение: Uвых=(U/Rп)r,

где Rп- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки.

где К – коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знака, например, схема на рис. 27. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке 28

Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

1.Зона нечувствительности. Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т.е. возникает эта зона, когда при малой величине перемещения Uвых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле: DU=U/W, где W- число витков.

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода

2. Неравномерность статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3. Погрешность от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя.

5. Погрешность от влияния нагрузки.

a – Эквивалентная схема потенциометрического датчика с нагрузкой, б – Влияние нагрузки на статическую характеристику потенциометрического датчика.

Потенциометрические датчики относятся к типу датчиков, преобразующих линейные и угловые перемещения в электрический сигнал и представляющие собой переменное электрическое сопротивление, величина которого зависит от положения токосъемного устройства. На стенде в левом верхнем углу расположены различные виды потенциометров.

Потенциометры в схемах работают с источником постоянного и переменного тока. Потенциометрические датчики применяются в различных системах автоматического контроля и регулирования, когда любая регулируемая или контролируемая физическая величина может быть преобразована в перемещение движка датчика.

Таким образом, входной величиной датчика является перемещение X или угол поворота движка, тогда как выходной величиной можно считать сопротивление R, ток I или напряжение U.

Потенциометрическим проволочным датчикам присуще наличие зоны нечувствительности, которая обусловлена диаметром токопроводящей проволоки.

Потенциометр (рисунки 5.1–5.4) представляет собой электрическое сопротивление R с линейным и угловым перемещением ползунка.

Основой потенциометра (линейного) является керамическая труба, закрепленная торцами между двумя металлическими щеками при помощи стяжных болтов. В щеках имеются вентиляционные отверстия для охлаждения керамики. На наружной поверхности керамической трубы вплотную навита обмотка сопротивления, концы которой закреплены хомутами. Каждый хомут соединен перемычкой со своей клеммой, расположенной на щеке. Над обмоткой укреплены направляющие стержни, вдоль которых по зачищенной поверхности обмотки перемещается ползун с контактными роликами или плоскими пружинными контактами. Ползунок соединяется с выходом третьей клеммой потенциометра.

В потенциометрах с угловым перемещением обмотка наматывается на изоляционный материал, выполненный в виде кругового сектора.

Потенциометры бывают проволочные и непроволочные. У непроволочных потенциометров токопроводящий слой состоит из углерода на лаковой основе или специального металлического сплава высокого удельного сопротивления, нанесенных тонким слоем на поверхность керамики или иного изоляционного материала. Такие датчики обладают линейной статической характеристикой.

Рисунок 5.1 – Потенциометрический измерительный преобразователь (ИП) линейных перемещений в электрический сигнал:

а – схема включения, б – статическая характеристика

У проволочных датчиков токопровод состоит из однослойной проволочной обмотки, с диаметром проволоки 0,03–0,1 мм для датчиков высокого класса точности и 0,3–0,4 мм для датчиков низкого класса.

В системах автоматики используются и различные функциональные потенциометры (с переменной высотой каркаса, изменяющимся шагом намотки, с фигурным каркасом, с сопротивлениями, с шунтирующими участками с линейным распределением сопротивления), квадратные, логорифмические, синусные, синусно-косинусные.

В простых датчиках между сопротивлением и перемещением (статическая характеристика) существует линейная зависимость:

– для прямых,

где f – длина кругового сектора).

В функциональных датчиках в зависимости от характера намотки проволоки на каркас можно получить любого вида функциональную связь между величиной перемещения и изменением сопротивления (рисунок 5.4).

Для этой цели применяется намотка проволоки на фигурный каркас, шунтировка секций, фигурный перекатывающийся контакт и другие способы.

Рисунок 5.4 – Функциональные потенциометры:

а – с профильным каркасом: б – со ступенчатым каркасом; в – с зашунтированными секциями; г – с перекатывающимся фигурным контактом; д – синусно-косинусный

Основными эксплуатационными характеристиками потенциометров являются: величина активного сопротивления, номинальная мощность рассеивания, уровень внешних шумов, износоустойчивость и вибропрочность, стабильность величины сопротивления.

Статическая характеристика определяет функциональную зависимость выходного напряжения потенциометра от перемещения его движка:

U вых = U 2 = f (x) или U 2 = f (α).

Для большинства типов потенциометров, используемых в автоматических системах, эта зависимость линейна при условии компенсации влияния нагрузки на точность работы потенциометра.

Влияние нагрузки R н, подключенной к выходу потенциометра, характеризуются погрешностью, величина которой выражается в абсолютных (в единицах напряжения) или относительных (в процентах) единицах.

Относительная статистическая погрешность измерений для каждой ступени нагрузки (тарировки) вычисляется по формуле:

где U 2пp – показания измерительного прибора при прямом ходе;

U 2об – показания измерительного прибора при обратном ходе.

Статическая чувствительность определяется крутизной выходного напряжения и характеризует приращение выходного напряжения на единицу линейного или углового перемещения его движка (В/мм или В/рад).

Номинальная мощность рассеивания определяется максимальной допустимой мощностью, длительно рассеиваемой на сопротивлении потенциометра без нарушения его нормальной работы.

Номинальная величина активного сопротивления характеризуется значением активного сопротивления потенциометра при его изготовлении. Потенциометры в зависимости от номинального значения делятся на классы.

Уровень собственных шумов потенциометра оценивается величиной ложного сигнала, появляющегося на его выходе вследствие мгновенного нарушения контакта, возникающего при больших скоростях перемещения или вибрации ползунка.

Износоустойчивость потенциометра определяется числом перемещений (поворотов) ползунка от упора до упора, которое потенциометр может выдержать без нарушения его нормальной работы.

Вибропрочность оценивается временем, в течение которого потенциометр выдержит колебания в заданном диапазоне частот и с заданным ускорением без нарушения его нормальной работы.

Стабильность сопротивления характеризуется изменением величины сопротивления потенциометра с течением времени под влиянием температуры, влажности, рассеивания мощности и т. д. при подаче напряжения.

Типовые схемы включения потенциометра, наиболее часто применяемые в автоматических системах, представлены на рисунках 5.1, 5.3.

Основные соотношения ненагруженного прямого потенциометра (рисунок 5.1 а) U2 = U0К – выходное напряжение, где

– относительное перемещение ползунка.

Выходное напряжение потенциометра практически является функцией перемещения его ползунка. Погрешность преобразования механического перемещения в электрический сигнал определяется собственной погрешностью потенциометра.

Основные отношения нагруженного потенциометра (рисунок 5.1 а) (0 < R н < ∞):

– сопротивление потенциометра:

R п = R п1 + R п2,

где R п2 = Rx; R п1 = R п (1–K);

– величина относительной погрешности:

Влияние нагрузки. Выходное напряжение, снимаемое с потенциометра, отличается от заданного на величину, зависящую от отношения полных сопротивлений потенциометра и нагрузки, а также от положения ползунка потенциометра.

При витом сопротивлении, по которому скользит контакт, величина R п2 пропорциональна расстоянию ползунка от крайнего положения, а R п пропорционально длине потенциометра:

Это соотношение справедливо лишь при условии, что на выходе имеется большое нагрузочное сопротивление R н (по сравнению с величиной сопротивления потенциометра R п в этом случае напряжение U 2 является собственно напряжением холостого хода).

Если R н < R п, то

и тогда U 2 зависит непосредственно от R н.

В датчиках, чувствительным элементом в которых является потенциометр – переменный резистор, подвижной контакт механически связан с устройством, параметр которого необходимо измерить.

Потенциометрические устройства широко используются для преобразования линейного или углового перемеще­ний (входная величина) в электрический сигнал (выходная величина).

Конструктивно потенциометрическое измерительное уст­ройство (рис. 9.5.) состоит из переменного резистора 1 с движком 2, к которому прикреплена жесткая механическая связь 3 с перемещаемым объектом 4. Потенциометр может быть выполнен линейным или круговым. В первом случае измеряются линейные перемещения, во втором – угловые. Обмотка резистора выполняется из металлической проволоки (константа, манганина, изабелина, никелина), навитой на каркас, или металлических пленок. На вход потенциометра подается напряжение U1.

Объект, перемещение X которого необходимо измерить, через механическую связь перемещает движок потенциометра на то же расстояние X или кратное ему или на определенный угол, в зависимости от конструкции связи.

Напряже­ние на выходе U2 определяется из выражения:

где k = U1 /L – постоянная датчика.

Рисунок 9.5 – Потенциометрический чувствительный элемент: 1- потенциометр; 2- движок потенциометра; 3- жесткая связь; 4- перемещаемый объект; L- длина перемещения движка; Х- перемещение объекта; Rп- полное сопротивление потенциометра; Rx- измеряемое сопротивление ползуна; U1- входное напряжение; U2- выходное напряжение датчика.

Потенциометрические датчики просты по конструкции, дешевы. Однако, в силу применения движущихся механических частей, имеют значительную погрешности и низкую надежность.

9.2.3. Тензочувствительные элементы

Принцип дей­ствия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта – изменении величины активного сопротивления проводнико­вых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним механических напряжений (усилий).

В простейшем случае тензорезистор представляет собой тонкую проволоку, внедренную в бумагу, наклеиваемую на металлическую балку, которая подвергается механической деформации (растяжение, изгиб, скручивание, сжатие).

Полупроводниковый тензорезистор (рис.9.6) представляет собой кристалл кремния (n-проводимость) 1 с нанесенной на его поверхность дорожкой другого полупроводника с p-проводимостью – тензорезиста 2. Сопротивление дорожки 2 тензорезистора равно

где ρ- удельное сопротивление материала тензорезиста; l – длина дорожки тензорезиста; s – площадь поперечного сечения тензорезиста.

При деформации дорожки под действием силы F, например, при ее сжатии, изменяется эффективная длина l (увеличивается) и площадь поперечного сечения s (уменьшается). В результате изменяется сопротивление подложки R (увеличивается), а значит и всего p-n перехода тензорезистора. Это изменение сопротивления фиксируется электронной схемой – таким образом, измеряется сила F.

Рисунок 9.6 – Тензорезистор: 1-полупроводниковый кристалл; 2- дорожка тензорезиста с p-проводимостью; 3- электроды.

Тензорезистор крепится к детали, которая воспринимает какие-либо усилия F. Чувствительность тензорезисторных преобразователей определяется тензорезисторным коэффициентом – отношением изменения сопротивления активной части тензорезистора к изменению приложенной силы. У большинства проволочных тензорезисторов К ~ 2, а у полупроводниковых – К ~ 100.

Применяются тензорезисторы для измерения сил, деформаций и малых перемещений.

• Преобразователи угловых перемещений.
• Преобразователи линейных перемещений.

Конструктивное исполнениеПравить

В состав любого потенциометрического преобразователя входят три основных элемента:

• Каркас, который изготавливается из материалов, обеспечивающих постоянство своих геометрических размеров в широком температурном диапазоне. И в то же самое время имеющий высокие показатели теплопроводности для рассеивания выделяющегося излишнего тепла при работе датчика.
• Щетки, которые изготавливаются из чистых благородных металлов (как правило, платина или серебро). При этом материал щеток должен быть мягче материала обмотки, чтобы они не перетирались.

• . Дата обращения: 2 апреля 2013. Архивировано 30 января 2013 года.
• Все про датчики. Дата обращения: 2 апреля 2013. Архивировано из оригинала 25 июля 2013 года.

Потенцио́метр (от лат.  — «сила» и греч.  — «измеряю») — измерительный прибор, предназначенный для определения напряжения путём сравнения двух, в общем случае, различных напряжений или ЭДС с помощью компенсационного метода. При известном одном из напряжений позволяет определять второе напряжение.

Потенциометр (измерительный прибор) не следует путать с трёхвыводным переменным резистором — электронным компонентом, жаргонно также называемым «потенциометром».

Иногда «потенциометрами» не совсем корректно называют датчики перемещений и поворотов, основанные на потенциометрический схеме, например, датчики положения дроссельной заслонки в двигателях внутреннего сгорания.

Принцип действияПравить

Сравнение напряжений с помощью потенциометра

Потенциометр представляет собой делитель напряжения из резисторов (резистивный делитель) с переменным сопротивлением (переменных резисторов).

К делителю напряжения подключаются источник, напряжение которого известно ( ), и источник, напряжение которого нужно определить ( ).

Известное с достаточной точностью одно из сравниваемых напряжений принято называть «опорным напряжением» или «опорной ЭДС». В иностранной литературе опорное напряжение называют «референтным напряжением» и обычно обозначают  .

Ручной или автоматической регулировкой сопротивлений делителя напряжения добиваются, чтобы напряжение  , снимаемое с делителя, стало равным напряжению (или ЭДС)  . Равенство напряжений ( ) обычно называют «балансом напряжений». Индикатором «баланса» служит чувствительный измеритель малых токов (или напряжений), часто называемый «нуль-индикатором» и на рисунке обозначенный буквой «O». При   ток  , текущий через нуль-индикатор «О», будет равен 0.

В качестве нуль-индикаторов исторически первыми стали применять чувствительные гальванометры. В современной электронике в качестве нуль-индикатора применяют дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления.

Для схемы, изображённой в верхней части рисунка, по правилам Кирхгофа

а с учётом  :

• — сопротивление участка переменного резистора   от низа (по рисунку) до подвижного контакта;
• — полное сопротивление переменного резистора.

Для схемы, приведённой снизу рисунка

То есть, зная соотношение сопротивлений резисторов делителя напряжения при равенстве напряжений («балансе»), можно численно выразить одно напряжение (  или  ) через другое напряжение (  или   соответственно).

В качестве переменного сопротивления исторически применяли реохорд. Реохорд представлял собой кусок натянутой проволоки постоянного поперечного сечения с тремя электрическими выводами. Первые два вывода прикреплялись к концам проволоки, а третий (ползунок) мог перемещаться вдоль проволоки. Электрическое сопротивление   однородного куска проволоки длиной   и постоянного поперечного сечения   выражается формулой   где   — удельное электрическое сопротивление материала проволоки. Зная длину проволоки  , расстояние   от края проволоки до ползунка и напряжение   между концами проволоки, можно определить напряжение   (равное  ) между ползунком и концом проволоки:

Реохорды, представляющие собой кусок проволоки, в современных потенциометрах практически не применяют, только иногда используются в демонстрационных целях. Современный реохорд представляет собой переменных резистор, обычно выполнен в виде однослойной спиральной намотки высокоомной проволоки на прямолинейное или тороидальное основание (каркас). Название «реохорд» в потенциометрах прочно закрепилось за этими переменными резисторами.

В качестве источника опорного напряжения (ИОН) исторически применялись электрохимические источники стабильного во времени и воспроизводимого напряжения — нормальные электрохимические элементы. В современных потенциометрах в качестве источников опорного напряжения применяют обычно полупроводниковые прецизионные ИОНы — термокомпенсированные стабилитроны и ИОНы «запрещённой зоны».

Если нагружение источника известного напряжения на резистивный делитель напряжения недопустимо, например, в случае применения источников с высоким внутренним сопротивлением, то по этому источнику предварительно калибруют другой источник с достаточно малым внутренним сопротивлением.

При балансе напряжений резистивного делителя и опорного напряжения ток через нуль-индикатор (гальванометр) равен нулю. Таким образом, источник опорного напряжения работает при балансе в режиме холостого хода, что позволяет использовать в качестве источников опорного напряжения прецизионные источники с высоким внутренним сопротивлением, например, нормальные электрохимические элементы. Аналогично, по этой же причине возможно измерение ЭДС источников неизвестного напряжения с высоким внутренним сопротивлением без искажения результата измерения, например, ЭДС электрохимических потенциометрических датчиков.

Особенности потенциометров для измерения сверхмалых напряженийПравить

При измерении сверхмалых напряжений (на уровне микровольт — долей милливольта) становится существенным искажение результата измерения от термо-ЭДС «паразитных» термопар, образующихся в точках электрического соединения разнородных проводниковых материалов (например, медных проводников и высокоомных проводников переменных резисторов), если температура этих соединений (спаев) не равна. Без применения специальных мер значения паразитных термо-ЭДС могут достигать десятков микровольт. Например, термо-ЭДС пары медь — оловянно-свинцовый припой составляет около 3-7 мкВ/К, что при значении измеряемых напряжений в единицы-десятки микровольт может дать относительную погрешность измерения в несколько десятков процентов, что обычно недопустимо. Поэтому при конструировании подобных потенциометров прибегают к специальным мерам для снижения паразитных термо-ЭДС. Радикальная мера — тщательная термоизоляция прибора от наружной среды, иногда — термостатирование. Для пайки электрических соединений применяют припои, дающие малые термо-ЭДС в паре с медью, например, оловянно-кадмиевые припои, термо-ЭДС которых в паре с медью менее 0,3 мкВ/К.

Регистрирующие и самопишущие автоматические потенциометрыПравить

Блок-схема потенциометра с автоматической компенсацией (балансировкой). Обозначения: * усилитель рассогласования схематически изображён в виде операционного усилителя; * источник опорного (известного) напряжения представлен в виде перечёркнутого кружочка; * «M» — электродвигатель для перемещения подвижного контакта (движка, ползунка) реохорда; *   — напряжение, снимаемое с реохорда; *   — напряжение, которое требуется определить; *   — напряжение рассогласования

Помимо измерительных потенциометров, в которых балансировка (изменение сопротивлений резистивного делителя до достижения равенства измеряемого напряжения и напряжения, снимаемого с реохорда) выполняется вручную, существуют потенциометры с автоматической балансировкой. Автоматические устройства широко используются, например, в самопишущих регистрирующих приборах (самописцах процессов на бумажной ленте), которые до сих пор распространены в системах управления производственными процессами. Электромеханические потенциометры постепенно вытесняются цифровыми устройствами хранения и отображения информации.

Принцип действия автоматических потенциометров основан на применении следящего электромеханического контура автоматического регулирования. Измеряемое напряжение и напряжение с движка реохорда подаются на дифференциальный усилитель рассогласования, выход которого через усилитель мощности управляет реверсивным электродвигателем. Электродвигатель через механические элементы (тросики, шестерни) перемещает движок реохорда в нужную сторону так, чтобы свести сигнал рассогласования к нулю. Движок реохорда жёстко связан с указывающей стрелкой, перемещающейся по оцифрованной в единицах измеряемой величины шкале. Шкала не обязательно должна быть оцифрована в единицах напряжения; например, при работе прибора в комплекте с каким-либо термопреобразователем может быть оцифрована в градусах температуры; при работе со стеклянным электродом может быть оцифрована в единицах pH (pH-метр). В самопишущих приборах одновременно со стрелкой перемещается перо по бумаге. Перо чертит на бумаге линию и тем самым регистрирует изменение измеряемой величины, обычно, в зависимости от времени.

Литература и документацияПравить

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 января 2022 года; проверки требуют 2 правки.

Потенцио́метр — жаргонное название переменного резистора, включенного как делитель электрического напряжения. Под потенциометрами, как правило, подразумевают резисторы с подвижным отводным контактом (движком). С развитием электронной промышленности помимо «классических» потенциометров появились также . Такие потенциометры, как правило, представляют собой интегральные схемы, не имеющие подвижных частей и позволяющие программно регулировать собственное сопротивление с заданным шагом.

Большинство разновидностей переменных резисторов могут использоваться как в качестве потенциометров, так и в качестве реостатов, разница в схемах подключения и в назначении (потенциометр — регулятор напряжения, реостат — силы тока).

Потенциометры используются в качестве регуляторов параметров (громкости звука, мощности, выходного напряжения и т. д.), для подстройки внутренних характеристик цепей аппаратуры (подстроечный резистор), на основе прецизионных потенциометров построены многие типы датчиков углового или линейного перемещения.

СсылкиПравить

Потенциометрами называют регулируемые делители напряжения для настройки его при подаче на запитываемый прибор при постоянном токе. Другие названия — переменный или подстроечный резистор, но при этом надо отличать режим реостата. Сопротивление детали, а, соответственно, и мощность напряжения можно менять, тем самым настраивая определенную функцию обслуживаемого прибора. Именно потенциометрами регулируется сила света ламп (диммеры), светодиодов, звук (простые селекторы или эквалайзеры), скорость вращения вентиляторов, небольших электромоторчиков. Органы управления данных радиодеталей известные всем: поворачивающиеся ручки или ползунки (на старых музыкальных центрах, телевизорах, магнитофонах), могут применяться программные решения (через микросхемы), есть и автоматический, регулируемый автоматикой, потенциометр.

Понятие потенциометра

В статье будем применять такие сокращения:

• ПТ и РС — потенциометр, реостат;
• I — ток;
• U — напряжение;
• R — сопротивление (сопр.).

Другие названия потенциометра:

• резистор: подстроечный или переменный (подстроечник, переменник). Это два разных типа одной и той же рассматриваемой детали, их надо различать, но иногда эти названия применяют как общее наименование. Тут имеются ввиду эти детали в режиме потенциометра, а не реостата. По умолчанию будем подразумевать их в таком варианте включения;
• делитель напряжения. Название наиболее правильно отображает понятие, что такое потенциометр.

Делитель напряжения это тот же резистор, деталь создана по его типу и по аналогичному принципу. Но обычный такой элемент («постоянный» «fixed») обеспечивает фиксированную величину сопротивления, блокирующего ток на цепи, сопротивляющегося ему, тем самым по закону Ома понижая его.

Переменный/настроечный же резистор имеет пластинку (наподобие автомобильного дворника, скребка) или подобный элемент, бегающий с постоянным (скользящим) контактом по резистивной (чувствительной) части. Таким образом осуществляется изменение сопротивления, а главное, деление напряжения, то есть его регулировка, уменьшение/увеличение. Поэтому такие радиодетали называют «делителями напряжения». Ниже на рис. обозначение детали западного стандарта:

Название потенциометр постоянного тока — это совокупность словосочетаний «разность потенциалов» и «метр» — измеряю, термин появился на заре развития электроники и подразумевает прибор измерительного характера. При настройке габаритных резистивных катушек с проволочными обмотками свойство детали использовалось для замеров значений разности потенциалов, что относило ее к измерительным типам. Так оно и есть, просто теперь данные качества приспособлены к регулировке напряжения. Этот аспект применения быстро стал главным и 95 % таких элементов, а то и больше, изготовляются именно для управления электропараметрами.

Особенности регулировки электропараметров

Для понимания работы переменных резисторов надо знать, что всегда — при режиме реостата, потенциометра — меняется и напряжение, и ток (U пропорционально зависит от I). Оба алгоритма работы основываются на изменении сопротивления (R), которое остается независимым от указанных величин. Но именно его регулировка на переменнике уменьшает/увеличивает U и I.

Делители напряжения — это резисторы не с фиксированным значением сопр. (числом Ом) на нем, а с переменным, выставляемым дополнительным рычажком (скребком). Это обычный элемент электросхем, электроники, бытовых приборов. Элементы управления знакомые всем — круглые небольшие ручки, ползунки, бегунки, селекторы.

Где и для чего используются делители напряжения

ПТ нормируют напряжение, чаще их используют для регулировки параметров приложения (обслуживаемого оборудования) в рамках нормальных значений, на которые оно рассчитано, когда такая функция заложена в нем самом, например, громкость звука, обороты вентилятора. Чаще встречается модель с ручной регулировкой, но есть и автоматический интегрированный потенциометр.

Также ПТ применяют, когда необходимо установить нужный режим оборудования в сложных условиях, когда определенный уровень электропараметров может вывести из строя приложение или для исследований, в целях ТО, ремонта, экспериментов, наладки.

Увеличение/уменьшение U, подаваемого на нагрузку, которое также тянет за собой изменения тока, осуществляется потенциометрами или реостатами. Разницу между ними мы рассмотрим ниже. Фактически эти термины обозначают не саму деталь (это во всех случаях переменный резистор), а режимы ее включения на схеме.

Наиболее характерные примеры, что регулируют:

• мощность и другие параметры (настройка эквалайзерами) звука, яркости/оттенков видео, света (диммеры);
• скорость маломощных электромоторчиков бытовых приборов, игрушек;
• вентиляторы с настройкой скорости оборотов имеют делители напряжения. Даже те, у которых интенсивность вращения подразумевается, как выставленная на постоянную работу с определенным значением? часто имеют подстроечник на микросхеме;
• частота генераторов;
• калибровка электроцепей, на микросхемах для настройки электропараметров по напряжению (выходной его мощности).
• прецизионный, в том числе автоматический высокоточный потенциометр применяется в датчиках углового, линейного перемещения.

Переменники/подстроечники применяются везде, где требуется регулировка выходного напряжения. Но надо понимать, что такой приборчик нужен только для высокоомной нагрузки и малых токов. Там, где эти параметры большие используют реостаты. Например, в диммере может стоять ПТ, но если лампа накаливания мощная, то он будет бесполезен и надо применить РС. Аналогично и по электромоторам: слабомощные могут регулироваться ПТ, но на мощных силовых установках на транспортных средствах стоят РС. Для того чтобы изучить где, что применять, надо делать вычисления по формулам з-на Ома.

Потенциометр и реостат

РТ рассмотрим подробно, так как в процессе раскроются и свойства потенциометров. Итак, тот же переменный резистор можно монтировать на схему по двум вариантам, создается два режима:

• параллельное включение — ПТ. Подключение потенциометра использует обычно все 3 контакта.
• последовательное — реостат. Используются только 2 контакта.

«Потенциометр» и «реостат» это просто разные варианты включения одного и того же переменного резистора в схему, соответственно, последовательно или параллельно. Обе детали работают именно с R, U, I. Но пропорциональность изменений разная, в первом случае в большей мере регулируется напряжение, во втором — ток.

Реостат имеет два выхода, потенциометр — три (если применяется как первый, то подключают только два контакта). То есть РС включается в схему как обычный резистор. Оба не поляризованные, могут работать в обратном порядке.

ПТ и РС подключаемые по-разному. Второй, в отличие от первого, обычно прибор промышленный или на мощном оборудовании. В некоторых школах проводили уроки с реостатом, поэтому его форму может кто-то и помнит: габаритная керамическая трубка с нихромовой обмоткой и ползунком на среднем выводе, который никуда не подключается. РС имеет большую мощность (пропускает мощный ток) и малое сопротивление (до десятков Ом). Имеет значительную индуктивность, что учитывают в ВЧ приборах.

Делители напряжения обычно маломощные, поэтому на роль РС они редко подходят, переменники до 10 Вт при производстве позиционируются как первые, от 10 Вт — как вторые.

Переменник как реостат

РС изменяет общее сопр. цепи — тут важно именно это свойство, оно используется в полном наиболее эффективном виде для управления (ограничения) током.

В схему включается только последовательно: так включенный переменник называется реостатом (это режим работы).

Можно сделать представление схемы как таковой, состоящей из двух обычных резисторов, включенных последовательно, то есть ползунок делит катушку РС на указанные элементы.  Осуществляя регулировку R уменьшают/увеличивают параметры этих резисторов и, соответственно, тока на цепи.

Переменный резистор как потенциомер

Уместное и более корректное другое название ПТ — делитель напряжения. Если взять вышеуказанную схему, то это также 2 и больше резисторов с последовательным соединением, но такой узел из них (цепочка) подключается параллельно источнику, что позволяет регулировкой их сопротивления получать именно напряжение, требуемое для нагрузки.

Разница в сфере применения

Потенциометр обладает низкой мощностью, применяется для сравнительно слабых по энергопотреблению устройств: телевизоры, аудиотехника, маломощные диммеры, регуляторы нагрева теплого пола, бойлеров, как преобразователи, для регулировки частоты оборотов слабых моторов, для вентиляторов, например, компьютерных кулеров, систем вентиляции.

Применение РС охарактеризуем выборкой из тематического сайта:

Сферы использования на первый взгляд подобные ПТ, но это не так: РС используются там, где большие токи и работа устройств зависит от них: мощные электроинструменты, электродвигатели транспортных средств и производственные, в промышленности.

Можно сказать, что переменник для ламп, работающих с большими токами и таких же нагрузок в виде электродвигателей, для электропечей, станков применяется только в режиме реостата.

Наиболее понятное объяснение различия в применении

При потенциометре ток от источника тратится выше в несколько раз, чем нужно нагрузке. При РС значение этой величины равно таковой на нагрузке. Поэтому последний применяется для настройки I и U на низкоомных нагрузках, они имеют закономерность — потребляют сравнительно более мощные токи, а потенциометры — для высокоомных, так как они обычно питаются этой величиной с небольшим значением.

Особенности по внешнему виду

Переменник может быть и тем и другим, но если он изготовляется под режим реостата, то имеет характерный для него типоразмер: с двумя выводами, с крупной резистивной частью (обмоткой), обычно это большой, толстый, тяжелый проволочный резистор и его форма намного габаритнее, чему у деталей для ПТ.

Надо различать термины, так как иногда в разных источниках возникает путаница: например, фраза «потенциометр в режиме реостата» не совсем корректная, поскольку это обозначение двух разных включений, но словосочетание «переменный резистор в режиме реостата (или потенциометра)» правильное. Хотя часто встречаются ошибочные лексические образования даже на сайтах технической тематики, но тут главное, чтобы пользователь различал, о чем речь.

Если у детали два выхода, то ее состояние — только РС, если же три, то такую деталь теоретически можно использовать как его (мы это описали выше), но в реальности она предназначена именно для режима ПТ.

Алгоритм работы потенциометра, сравнение его с таковым у реостата

Уместно раскрыть принцип работы одновременно для ПТ, РС, так как речь идет, по сути, об одной детали в разных режимах:

Принципы работы раскрываются закономерностями процесса изменения тока и напряжения. Для реостата за нагрузку возьмем лампочку (на схемах выше). С ростом сопр. на РС то же происходит и с общим сопр. (Rобщ), а такой же ток понижается. Следовательно, и I на нагрузке, и напряжение на ней падают.

Теперь объясним действие в процессе описания, как меняется U нагрузки: общее значение на источнике тока (Uист = Uн + Upеост) между РТ и U пропорционально их R:

При понижении такового на РС возникает перераспределение общего U и при этом U нагрузки, а, следовательно, и I через нее повышается.

Теперь перейдем к потенциометру. Это тот же реостат, но подключенный по-другому и наиболее точно отображает его суть название «делитель напряжения».

ПТ регулирует ток и напряжение на высокоомном (на этом акцентируем) оборудовании, то есть при таком параметре применение РС нецелесообразное, а то и вовсе невозможное. Переменный резистор как ПТ подсоединяется к источнику нижними клеммами A и B, являющие собой концы обмотки, заключенные (обжатые) удобными для включения в цепь способом. В отличие от РС клемма С подсоединятся к потребителю и на нее также выведены A и B.

Принцип действия ПТ:

• напряжение подводится на весь такой резистор;
• но для потребителя снимается только его часть, которую можно регулировать, перемещая ползунок D между точками A и B;
• при этом указанная величина нагрузки Uн будет изменяться от 0 до максимального U источника.

U на потребителе может колебаться с прямой пропорциональностью к длине сегмента ^АС, но может обладать и более сложной зависимостью U = f(l), определяемой соотношением R нагрузки и R потенциометра. Есть такие закономерности:

Расчет, подбор параметров потенциометра

Итак, потенциометр предназначен для регулировки напряжения именно на высокоомной нагрузке – она должна иметь сопр. выше, чем ПТ, иначе количество Вольт будет определяться ею же, функция регулировки пропадет.

Основные особенности по расчету ПТ такие:

• сопр. ПТ должно быть намного меньшим (Rпот<< Rн), чем у нагрузки. Это не обязательно, но при несоблюдении, дальнейшие исчисления усложнятся – придется учитывать ток на ней. Рекомендовано значения ниже как минимум в 10 раз, но лучше  — в 20, 30, 100. Чем меньше, тем лучше, но не чрезмерно, иначе не будут выполнены требования следующих пунктов;
• ток, проходящий через ПТ (Iпот = Uuст /Rпот), не должен быть выше номинала по таковому источника (Iпот < Iном. ист.);
• если есть несколько ПТ и все они подходят под указанные выше условия, то берут изделие с большим сопротивлением — оно будет потреблять меньший ток, что особенно значимо при применении с гальваническими батареями, АКБ.

Еще нюанс регулировки тока и напряжения реостатом и потенциометром:

• оба позволяют получать на нагрузке U равное или ниже U источника;
• но с ПТ можно понижать указанную выше величину до 0, чего чрезвычайно сложно, почти невозможно, добиться от РС.

Важность мощности рассеяния

При подборе переменного резистора учитывают в первую очередь номинал по сопротивлению, но таковому по току, иными словами, мощности рассеяния, не менее важно уделить внимание. Два параметра взаимосвязанные. Объясним на примере. Схема содержит резистор с определенным R, но выясняется, что это значение должно быть значительно ниже, то есть деталь надо заменить.

Ставят элемент со значительно меньшим R, и, казалось бы, проблема решена, но тут возникает опасность, связанная с игнорированием закона Ома. R на резисторе было значительным, U цепи фиксированное. При понижении номинала переменника общее R линии упало, как следствие, ток возрос. Если поставить ПТ с прежней мощностью рассеяния, то при увеличенном I он может не выдержать нагрузки, последствия традиционные — перегрев, вплоть до возгорания.

Приблизительная норма: при номинале в 10 Ом по цепи должен протекать ток около 1 А — это мощность, рассеиваемая резистором. При выборе обязательно надо смотреть эту допустимую величину для детали.

Конструкция и виды переменных резисторов

Потенциометр — это преимущественно аналоговая электромеханическая деталь, есть и цифровые типы, но они еще слабо распространенные. Дворник может перемещаться также с помощью электрических средств, не только вручную. Передвижение может быть угловым (вращение) или линейным (прямым); обычно оно ручное, но есть и автоматический, настраиваемый приложением, потенциометр.

Устройство потенциометра (две первые части главные):

• резистивный элемент;
• пластина (дворник, скребок) со скользящим контактом, перемещаемым ручкой (селектором, рычажком) вдоль вышеуказанной части;
• клеммы на каждом конце детали;
• механизм, двигающий дворник (вал, ползунковый блок), втулка, подшипник
• корпус, в который заключена резистивная часть.

Описанное устройство можно взять за общий принцип, который в том или ином виде реализован во всех видах данных радиодеталей, струнные и цифровые ПТ также базируются на нем, но со своей спецификой.

Резистивная часть недорогих переменников часто из графита. Используют также и чувствительную проволоку, пластик с углеродными частичками, смесь керамики и металла (кермет). У вариантов с токопроводящими дорожками применяют полимерные токопроводящие пасты с углем, износостойкими смолами, растворителями, смазочными веществами. Если обобщить, то по конструкции корпуса свои виды, типы потенциометр имеет в виде горшков (бочечек, котлов), планок и чипов (триммеры).

По материалу чувствительно части

Проволочные — в корпусе уложен подковой равномерно константиновый или манганиновый проводок. Ползунок скользит по виткам, касается следующего прежде чем сойдет с предыдущего — так достигается плавная регулировка.

Тонкопленочные. Сенситивная часть это подковообразный каркас диэлектрической пластинки с тонкой пленкой: углеродной, борной, из металлизированных, композиционных материалов. Триммеры, подстроечники часто бывают такими

По количеству контактов

Есть одноэлементные модели — это стандартные переменники. Есть многоэлементные — сдвоенные, строенные и так далее — тогда контактов больше, на каждую такую часть. Также есть изделия с контактами для выключателя (ниже на рис.).

Поворотные (круговые, дисковые) переменники

Наиболее распространенные переменники — поворотные. Могут оснащаться выключателем, обычно срабатывающим при крайней позиции против ч. с. Таким образом, можно сразу же, не отдельным элементом, выключать/включать радиоприемники подобную технику: например, прибор стартует после щелчка при повороте селектора на минимальной громкости, затем ее можно увеличивать.

Выводы 1 и 2 есть и на обычных резисторах — постоянного номинала. Сопротивление создает спецпокрытие, массив токопроводящего сплава (в том числе в виде пленки, напыления), проволочная обмотка (нихром и подобное) на «теле» между ними. У переменников добавляется третий вывод (для скребка), подключенный к «движку», подвижной пластине (дворнике), передвигаемой со скользящим контактом по данному сегменту, у поворотных типов он в виде подковки (дуги).

Если крутить ручку то R между 1 и 3 меняется, от 0 до номинала, выбитого на корпусе прибора. То же происходит между 2 и 3 «вверх ногами»: когда R между 1 и 3 растет, то между 2 и 3 понижается и наоборот.

Линейные, с ползунками

Линейные (слайдеры) имеют форму пластины, планки, то есть резистивный элемент продольный. Регулировочный инструмент — ползунок, который скользит вдоль, а не вращается. Недостаток таких моделей в том, что они менее защищенные от загрязнений: грязь может попасть внутрь через любую часть прорези, даже несмотря на то, что есть уплотнение ползунка. Преимущество — лучшая визуализация индикации настроек.

Для поворотных моделей положение ручки часто невозможно определить, особенно, если смонтирован «голый» резистор — для этого нужно делать градуировку. Если же шкала есть, то она воспринимается менее удобно. На линейном типе позиция настройки видна и без указанного — по положению ползунка. Например, для эквалайзеров, фейдеров определить позиции регулировки, оценить общую картину настройки десятка и более бегунков на панели управления, можно не приглядываясь особо. Кроме того, линейные ПТ обычно точнее, так как резистивная часть длиннее.

Многооборотные

Обычный круговой переменник делает полное перемещение настраиваемой точки за 1 оборот винта регулировки и таковой неполный, подкова не должна замыкаться. Для некоторых задач они не достаточно точные. Для особой чувствительности есть многооборотные варианты. У них полный описанный цикл осуществляется за определенное число об., что намного уменьшает погрешности. Например, повернув селектор однооборотной модели номиналом 10 кОм на пол-оборота, изменится сопр. на 5000 Ом, если допуск в 10 %, то он даст погрешность в 500 Ом. Многооборотный потенциометр на 10 об. с такими же параметрами при подобном повороте рычажка дает отклонение всего в 50 Ом — 0.5 % от номинала.

Среднестатистически поворот селектора на один и тот же угол дает настройку точнее на одну десятую лучше, чем у однооборотных моделей.

Струнные

Особым подвидом являются струнные (строковые) делители напряжения, они управляются гибким кабелем и подпружиненной катушкой. Применяются для измерений на движущихся объектах, для замеров линейного положения в промышленности, производстве, медицине, в робототехнике, на автоматизированных линиях производства.

Особо точные

Поворотные или линейные ПТ с фиксированными позициями отмечаемые щелчками — это специальные дискретные прецизионные модели, набранные из нескольких резисторов. Применяются в поверочном оснащении, на особо точной аппаратуре.

Регулировка делается не вручную, а автоматикой приложения.

Сдвоенные

Несколько резисторов могут находиться на одном валу с их скользящими скребками, что дает возможность параллельно регулировать 2 и больше каналов. Применяются в аудиоусилителях.

Подстроечные (триммеры, пресеты)

Подстроечные, они же триммеры или предустановленные — это типоразмеры под пайку на плату. При создании микросхемы производителем деталь впаивается и сразу же выставляется необходимая позиция. Предполагается, что она наилучшая для устройства и ее не рекомендовано менять, разве что в целях ремонта, особых случаев настройки.

Хотя также встречаются такие детали, предполагающие постоянную регулировку, например, когда такой типоразмер уместен для конкретного прибора.

Цифровые

Становятся популярными цифровые ПТ, представляющие собой интегральные схемы без подвижных частей, позволяющие делать регулировку собственного R программно с заданным шагом.

Виды по «конусу» — характеру изменения сопротивления

«Конусом» или «законом» называется взаимосвязь между сопр. и положением скребка. Контролируется изготовителем. Возможно любое соотношение, но для большинства задач хватит ПТ линейных и логарифмических («звуковой конус»).

Может использоваться буквенный код, но такой не стандартизированный, у разных производителей может быть иным, но обычно маркировка такая:

• Азия и США. А — для логарифмической, C — для обратной логарифмической (редкие, экспоненциальные) и B — для линейной конусности;
• Европа — А для линейной, C и B для логарифмической, F — для обратной ее разновидности.

Процентное соотношение, касающееся нелинейного конуса, относится к показателю сопр. в средней точке вращения вала. Конус бревна на 10 % измеряет 10 % общего R на ней. То есть 10% логарифм. конуса на ПТ 10 кОм дает 1 кОм на указанной отметке. Выше процент — круче логарифм. кривая.

Как делители напряжения показываются на схемах

Чтобы читатель более глубоко различил детали, укажем графику для ПТ и РС.

Обозначение делителей напряжения:

Обозначение простого (фиксированного) резистора:

Подключение потенциометра

Для начала приведем блок наиболее характерных схем. Надо сказать, что ПТ можно подключать не только как РС, но и как простой фиксированный резистор (варианты на 3 рис.):

Ниже наиболее распространенные схемы (обозначения по западному стандарту):

Надо сказать, что традиционная схема подключения частотника потенциометра всегда рекомендует «лишний» вывод подсоединять, обрыв на линии «подвижный контакт — подковка» не исключены, что может привести к неприятным последствиям.

Схемы как подключить ПТ чрезвычайно простые, фактически вариант один — параллельно на один из проводов питания.

Например, так выглядит регулятор на компьютерном кулере. В данном случае полярность значения не имеет. Берется любой проводок питания кулера, разрезается, один конец спаивается сразу с первым и вторым (средним) контактов, второй — с оставшимся. То есть на первых 2 контактах лежит какой-либо конец провода (они спаиваются с одной и той же этой жилой), третий контакт — другой конец, как бы отдельно стоящий.

Сложность некоторых схем: нужно знать, к какому проводу подсоединять, то есть какую линию питания регулировать, например, если делают подключение потенциометра внешнего для частотно-регулируемых электроприводов для настройки интенсивности вращения электродвигателей, при регулировке ПИД-регуляторов.

В таких случаях руководствуются схемами призводителей или авторов таких совершенствований, рекомендациями мастеров, вся информация есть в сети на спецфорумах и тематических сайтах. Ниже пример подключения к частотному преобразователю:

Проверка

Проверка потенциметра делается мультиметром:

• выставляется режим замеров сопротивления, щупами касаются двух крайних контактов — тестер должен показать значение, равное номинальному с допустимым отклонением. Ползунок двигают — наблюдают, как меняется R на дисплее мультиметра;
• проволочная намотка может быть оборванной, могут отойти контакты — тогда обрыв проверяется стандартно — тестер ставят на «прозвонку», касаются щупами двух крайних контактов: 1 — обрыв; 0, цифровые значения, стремящиеся к нему или пищание (если есть зуммер) — цепь цела.

Как выбрать

Процесс, как подобрать делитель напряжения предполагает изучение таких параметров (часть данных есть в ГОСТе 10318):

• первоочередные, номиналы по:
  сопротивлению;предельному раб. напряжению;по мощности (рассеиванию);
• сопротивлению;
• предельному раб. напряжению;
• по мощности (рассеиванию);
• другие:
  допуск (погрешности);температурный коэффициент сопротивления (как t влияет на R);износоустойчивость;уровень шумов;функциональная зависимость («конус).
• допуск (погрешности);
• температурный коэффициент сопротивления (как t влияет на R);
• износоустойчивость;
• уровень шумов;
• функциональная зависимость («конус).

Как маркируются

Традиционная маркировка, известная с советских времен: ПТП, ПЛП, ППМЛ, ПЛП, РПП, ППБЛ, ППМФ. Что должно быть указано на изделии регламентируют  ГОСТы 9245, 8.478-82. Сами же буквенно-цифровые знаки ест в ОСТ 11.074.009 (актуальный), ГОСТ 13453 и 3453 (устаревшие).

Но надо сказать, что в современных условиях нет единого стандарта, поэтому надо смотреть спецификацию изделия от производителя.

Ремонт

Если отвалился контакт, его можно спаять, но обычно это сложно сделать, тем более невозможно починить механически поврежденную дорожку или проволоку. При подобных поломках функциональных частей, особенно резистивного сегмента, переменники не ремонтируются.

Если функциональные части без механических повреждений, то можно попробовать такие методы:

• восстановить чувствительную дорожку:
  o   легонько отогнуть пружинку подвижного контакта грифелем простого карандаша (состоит из углерода) провести по сенситивному слою. Метод для тонкопленочных моделей;o   тот же грифель растереть, смешать с литолом или подобной смазкой, смазать дорожку, по которой ходит ползунок;
• o   легонько отогнуть пружинку подвижного контакта грифелем простого карандаша (состоит из углерода) провести по сенситивному слою. Метод для тонкопленочных моделей;
• o   тот же грифель растереть, смешать с литолом или подобной смазкой, смазать дорожку, по которой ходит ползунок;
• очистка от загрязнений при неразборном корпусе: сделать маленьким сверлом отверстие (Ø 1 мм) в корпусе, залить шприцем спирт, прокрутить несколько раз ручку.