Потенциометр

Потенциометр — это регулируемый резистор, электрический компонент, предназначенный для изменения сопротивления в электрической цепи путём механического перемещения подвижного контакта (ползунка) по резистивному элементу. Потенциометры используются для регулировки напряжения или тока в аналоговых схемах, а также в качестве датчиков угла поворота или линейного перемещения.

Устройство и принцип действия

Основными элементами потенциометра являются резистивный элемент (обычно в виде дуги или прямой полоски), выполненный из проводящего материала (углеродистая композиция, металлокерамика, провод с высоким удельным сопротивлением), и подвижный контакт (ползунок), скользящий по поверхности этого элемента. Конструктивно потенциометр имеет три вывода: два крайних, соединённых с концами резистивного элемента, и один средний, соединённый с ползунком.

Принцип действия основан на делении напряжения. Если подать напряжение на крайние выводы, то между средним выводом и одним из крайних можно снять часть напряжения, пропорциональную положению ползунка. Сопротивление между средним и крайним выводами изменяется от нуля (при совпадении ползунка с крайним выводом) до номинального сопротивления всего резистивного элемента (при противоположном положении). Таким образом, потенциометр выполняет функцию регулируемого делителя напряжения.

Классификация

Потенциометры классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу регулировки

• Поворотные (угловые) — наиболее распространённый тип. Ползунок перемещается по дуге при вращении вала. Угол поворота обычно составляет от 270° до 300° (для однооборотных) или несколько полных оборотов (для многооборотных).
• Ползунковые (линейные) — ползунок перемещается прямолинейно. Часто используются в аудиотехнике (регуляторы громкости) и промышленных пультах управления.
• Многооборотные — позволяют осуществлять точную настройку за счёт нескольких полных оборотов вала. Применяются в прецизионной аппаратуре.

По материалу резистивного элемента

• Углеродистые (композиционные) — дешёвые, с низким уровнем собственных шумов, но подвержены износу и нестабильны при высоких температурах.
• Проволочные — намотаны из тонкой проволоки (нихром, константан). Обладают высокой точностью и стабильностью, но имеют ступенчатое изменение сопротивления (дискретность) и ограниченное разрешение.
• Металлокерамические (керметные) — изготавливаются методом толстоплёночной технологии. Сочетают высокую точность, низкий шум и хорошую температурную стабильность.
• Плёночные — резистивный слой наносится на подложку (например, из стеклотекстолита). Широко используются в бытовой электронике.

По функциональной характеристике

Зависимость сопротивления от положения ползунка может быть различной:

• Линейная (A) — сопротивление изменяется прямо пропорционально углу поворота или перемещению. Обозначается буквой «A» (в отечественной маркировке) или «B» (в зарубежной).
• Логарифмическая (B) — сопротивление изменяется по логарифмическому закону. Используется в регуляторах громкости, так как человеческое ухо воспринимает громкость по логарифмическому закону. Обозначается «B» (отечественная) или «A» (зарубежная).
• Обратная логарифмическая (C) — сопротивление изменяется по обратному логарифмическому закону. Применяется реже, например, в регуляторах тембра.

По конструктивному исполнению

• Панельные (для монтажа на переднюю панель) — с ручкой и крепёжной гайкой.
• Подстроечные — предназначены для однократной или редкой подстройки в процессе эксплуатации (например, настройка режимов работы схемы). Имеют малые габариты и часто регулируются отвёрткой.
• Сдвоенные — два потенциометра на одном валу, используются в стереофонической аппаратуре.

Характеристики

Основные электрические и механические параметры потенциометров:

• Номинальное сопротивление — общее сопротивление между крайними выводами (стандартные ряды: 1, 2.2, 4.7, 10, 22, 47, 100, 220, 470 кОм и т.д.).
• Допуск — отклонение номинального сопротивления от заявленного (обычно ±5%, ±10%, ±20%).
• Разрешение — минимальное изменение сопротивления, которое можно получить при перемещении ползунка. Для проволочных потенциометров определяется шагом намотки.
• Износостойкость — количество циклов перемещения ползунка до выхода из строя (от нескольких тысяч до нескольких миллионов).
• Мощность рассеивания — максимальная мощность, которую может рассеивать потенциометр без перегрева (от 0,05 Вт до нескольких ватт).
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — изменение сопротивления при изменении температуры (обычно от ±50 до ±500 ppm/°C).
• Собственный шум — напряжение, генерируемое при движении ползунка (особенно важно для аудиоприменений).

Применение

Потенциометры находят широкое применение в различных областях электроники и электротехники.

Регулировка напряжения и тока

• Регуляторы громкости в аудиоусилителях, радиоприёмниках, телевизорах.
• Регуляторы яркости дисплеев и подсветки.
• Регуляторы скорости вращения электродвигателей (в сочетании с силовыми элементами).
• Регуляторы напряжения в лабораторных блоках питания.

Настройка и калибровка

• Подстроечные резисторы в радиоэлектронной аппаратуре для настройки частоты, усиления, смещения (например, в радиоприёмниках, телевизорах, измерительных приборах).
• Калибровка датчиков и измерительных цепей.

Датчики положения

• Датчики угла поворота в джойстиках, рулевых колонках, промышленных роботах.
• Датчики линейного перемещения в станках с ЧПУ, медицинском оборудовании.
• Потенциометрические датчики уровня жидкости (с поплавком).

Аналоговые вычислительные устройства

• В аналоговых компьютерах и схемах умножения/деления.
• В генераторах функций для задания формы сигнала.

История

Принцип регулируемого сопротивления был известен ещё в XIX веке. Первые потенциометры, использовавшиеся в лабораторных целях, представляли собой проволочные реостаты. В 1873 году английский физик Чарльз Уитстон описал конструкцию, позволяющую точно измерять напряжение. В 1880-х годах немецкий изобретатель Эрнст Вернер фон Сименс разработал промышленный образец потенциометра для использования в телеграфии.

Массовое производство компактных потенциометров началось в 1920-х годах с развитием радиовещания. В 1940-х годах с появлением печатных плат и миниатюризации электроники появились подстроечные потенциометры. В 1960-х годах были разработаны металлокерамические и плёночные технологии, что позволило повысить точность и надёжность.

С развитием цифровой электроники в 1970-1980-х годах потенциометры начали вытесняться цифровыми потенциометрами (электронными регулируемыми резисторами) и схемами с цифровым управлением, однако в ряде областей (аналоговая обработка сигналов, прецизионные настройки, датчики) классические механические потенциометры остаются востребованными.

Интересные факты

• В бытовой аудиотехнике часто используются потенциометры с логарифмической характеристикой, так как человеческое ухо воспринимает громкость по логарифмическому закону. Использование линейного потенциометра в регуляторе громкости приводит к тому, что на начальном участке изменение громкости почти незаметно, а на конечном — слишком резкое.
• Подстроечные потенциометры часто имеют форму, позволяющую регулировать их только с помощью отвёртки, чтобы исключить случайное изменение настройки.
• В некоторых прецизионных потенциометрах (например, в лабораторных делителях напряжения) используются многооборотные винтовые механизмы, позволяющие добиться точности настройки до 0,01%.
• Потенциометры, работающие в условиях сильной вибрации или высоких температур, могут изготавливаться с герметичным корпусом и специальными уплотнениями.
• В аналоговых синтезаторах 1960-1970-х годов потенциометры использовались для задания всех параметров звука (высота, громкость, тембр, частота среза фильтра), что позволяло музыкантам создавать уникальные звуковые эффекты.

Источники

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2005.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003.
3. ГОСТ 21414-75. Резисторы. Термины и определения.
4. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
5. Техническая документация производителей (Bourns, Vishay, Panasonic).