Потенциометры — что это, принцип работы, характеристики, виды

Потенциометр — это переменный резистор с подвижным контактом, предназначенный для регулирования напряжения или других электрических параметров в электрической цепи. При перемещении подвижного контакта изменяется соотношение сопротивлений участков резистивного элемента, благодаря чему потенциометр может использоваться как регулируемый делитель напряжения или как переменное сопротивление.

В данной статье рассмотрены устройство и принцип работы потенциометров, их классификация, основные характеристики, применение и особенности подключения.

Принцип работы и устройство потенциометра

Как уже отмечалось ранее, потенциометр представляет собой пассивный электронный компонент, предназначенный для плавного изменения сопротивления и регулирования электрических параметров в цепи.

Конструктивно он относится к разновидности переменных резисторов и состоит из резистивного элемента, подвижного контакта (механизма регулировки), выводов для подключения к электрической цепи.

Основным элементом потенциометра является резистивный слой, обладающий определенным электрическим сопротивлением. Он может быть выполнен из различных материалов, отличающихся электрическими и механическими свойствами, что оказывает влияние на точность регулировки, долговечность, уровень шумов и допустимую мощность рассеяния.

Сопротивление проводника зависит не только от материала, но и от его длины. Чем длиннее участок резистивного слоя между выводом и подвижным контактом, тем больше его сопротивление. Именно на этом физическом принципе основана работа большинства механических потенциометров.

По поверхности резистивного слоя перемещается подвижный контакт, электрически соединенный с одним из выводов компонента.

В зависимости от исполнения изменение сопротивления осуществляется поворотом вала, перемещением ползунка или электронным управлением.

Классический потенциометр имеет три вывода. Два крайних вывода подключены к противоположным концам резистивного элемента, а третий соединен с подвижным контактом. При изменении его положения изменяется сопротивление между средним выводом и каждым из крайних выводов. При этом сумма этих сопротивлений остается практически постоянной и соответствует номинальному сопротивлению потенциометра.

Рисунок 1. Устройство и принцип действия потенциометра

Работа потенциометра основана на изменении соотношения сопротивлений участков резистивного элемента при перемещении подвижного контакта. При его перемещении изменяется длина участка резистивного элемента, через который проходит электрический ток. Чем больше длина этого участка, тем выше его электрическое сопротивление. Одновременно сопротивление второго участка уменьшается на такую же величину, благодаря чему достигается плавное изменение электрических параметров цепи.

В зависимости от схемы подключения потенциометр может использоваться для изменения сопротивления участка цепи или для получения регулируемого напряжения. Но независимо от области применения принцип его работы остается одинаковым: изменение положения подвижного контакта приводит к изменению электрических характеристик между выводами компонента.

Чем отличается потенциометр от переменного резистора?

Потенциометр является разновидностью переменного резистора. Основное отличие заключается не в конструкции, а в способе использования компонента. Потенциометр обычно применяется с тремя выводами и позволяет получать регулируемое напряжение за счет изменения соотношения сопротивлений двух участков резистивного элемента. При использовании только двух выводов тот же компонент работает как реостат — переменный резистор для регулирования сопротивления участка электрической цепи.

 

Чем отличается потенциометр от энкодера

Несмотря на внешнее сходство, потенциометр и энкодер являются принципиально разными устройствами. Потенциометр изменяет электрическое сопротивление и имеет фиксированный диапазон регулировки, ограниченный механическими упорами. Энкодер не изменяет сопротивление, а формирует последовательность электрических импульсов при вращении вала, которые затем обрабатываются электронной схемой. Благодаря этому энкодеры могут вращаться непрерывно, обладают более высокой износостойкостью и широко применяются в цифровой технике, тогда как потенциометры используются для непосредственного изменения электрических параметров цепи.

Виды потенциометров

Потенциометры можно классифицировать по нескольким признакам: способу регулировки, закону изменения сопротивления, материалу резистивного слоя и назначению. Один и тот же потенциометр может одновременно относиться к нескольким категориям (например, он может быть поворотным, логарифмическим, металлопленочным и прецизионным).

По способу регулировки

В зависимости от конструкции регулировка может выполняться механическим перемещением управляющего элемента или изменением сопротивления электронным способом без использования подвижных частей.

Поворотные потенциометры

Рисунок 2. Осевой потенциометр

Поворотные (оборотные, осевые) потенциометры — наиболее распространенный тип потенциометров, в которых изменение сопротивления выполняется вращением управляющего элемента (вала). При повороте вала изменяется положение подвижного контакта относительно резистивного элемента, что приводит к изменению сопротивления между выводами.

Такие потенциометры отличаются компактными размерами и удобством управления, поэтому широко применяются в бытовой электронике, аудиотехнике, измерительных приборах и различных устройствах управления.

В зависимости от конструкции поворотные потенциометры могут иметь различный угол регулировки и количество оборотов:

• однооборотные;
• многооборотные.

Ползунковые потенциометры

Рисунок 3. Ползунковый потенциометр

Ползунковые (движковые) потенциометры отличаются от поворотных способом управления: изменение сопротивления осуществляется линейным перемещением подвижного элемента вдоль резистивной дорожки.

Основным преимуществом таких потенциометров является наглядность положения регулировки, поскольку текущее значение легко определить по положению ползунка. Они часто применяются в аудиотехнике, пультах управления, микшерных консолях и измерительном оборудовании.

Цифровые потенциометры

Рисунок 4. Цифровой потенциометр

Цифровые потенциометры — электронные устройства, в которых изменение сопротивления выполняется не механическим перемещением контакта, а с помощью управляющих цифровых сигналов.

В отличие от механических потенциометров, цифровые модели не имеют подвижных частей, что повышает их устойчивость к износу и позволяет управлять параметрами схемы программно. Такие компоненты используются в системах автоматизации, микроконтроллерных устройствах и современной аудиотехнике.

Сдвоенные потенциометры

Рисунок 5. Двойной потенциометр

Отдельно выделяют сдвоенные потенциометры — разновидность компонентов с двумя независимыми резистивными секциями, объединенными общим механизмом управления. При изменении положения вала или ползунка одновременно изменяется сопротивление сразу двух секций. Сдвоенные потенциометры могут иметь различное конструктивное исполнение: быть поворотными или ползунковыми. Они применяются в случаях, когда требуется синхронно изменять параметры двух электрических цепей, например для регулировки громкости левого и правого каналов в стереоаппаратуре.

По типу изменения сопротивления

Линейные потенциометры

Линейными потенциометрами называют устройства, у которых сопротивление, измеряемое между подвижным контактом и одним из выводов резистивного элемента, изменяется пропорционально положению контакта. В идеализированном случае при 25% рабочего диапазона эта величина составляет 25% номинального сопротивления, при 50% — 50%, при 75% — 75%. Производители нормируют отклонение реальной характеристики от теоретической, поскольку сопротивление практически никогда не изменяется абсолютно линейно.

Линейную характеристику выбирают, когда положение регулятора должно соответствовать пропорциональному изменению регулируемого параметра. Такие потенциометры используют в источниках питания, измерительной и испытательной аппаратуре, усилителях, устройствах настройки и различных схемах регулировки напряжения и тока.

Логарифмические потенциометры

Логарифмические потенциометры имеют нелинейную зависимость сопротивления от положения подвижного контакта. Сопротивление изменяется по логарифмической кривой: в начале рабочего диапазона изменяется быстрее, а по мере перемещения подвижного контакта к концу, изменение постепенно замедляется.

Основная область применения логарифмических потенциометров — аудиотехника. Их используют для регулировки громкости, уровня сигнала и других параметров, изменение которых должно соответствовать особенностям слухового восприятия. Логарифмическая характеристика обеспечивает более естественное восприятие регулировки по сравнению с линейной.

Экспоненциальные потенциометры

Экспоненциальные потенциометры имеют нелинейную зависимость сопротивления от положения подвижного контакта. Сопротивление изменяется по экспоненциальной кривой: в начале рабочего диапазона оно изменяется медленно, а по мере перемещения контакта изменение становится более быстрым. Т.е. принцип действия устройств противоположен логарифмической характеристике, поэтому их также называют обратно-логарифмическими.

На практике применение таких компонентов ограничено специализированной электронной аппаратурой. Их используют, в частности, для настройки напряжения смещения и регулировки контрастности осциллографов.

По материалу резистивного элемента

Проволочные потенциометры

Рисунок 6. Проволочный потенциометр

В проволочных потенциометрах резистивный элемент представляет собой проволоку из сплавов с высоким удельным сопротивлением (на основе хрома, никеля, манганина, константана и др.). Подвижный контакт перемещается вдоль обмотки и изменяет число включенных витков, определяя сопротивление участка цепи.

Такая конструкция позволяет получать высокую нагрузочную способность и хорошую стабильность электрических параметров. Вместе с тем отдельные витки обмотки образуют паразитную индуктивность, а перемещение контакта сопровождается последовательным переходом с одного витка на другой. Поэтому проволочные исполнения обычно уступают другим по плавности регулирования.

Основная область применения — силовые устройства, в которых требуется рассеивать значительную мощность.

Углеродные потенциометры

Рисунок 7. Углеродистый потенциометр

В углеродных потенциометрах (углеродистых) резистивный элемент изготовлен из углеродсодержащего композиционного материала, нанесенного на изолирующее основание.

По электрическим характеристикам они обеспечивают относительно низкий уровень шума и высокую стабильность при регулировании и практически не обладают индуктивностью, характерной для проволочных элементов. К недостаткам относятся более выраженная зависимость сопротивления от температуры, а также ограниченный допустимый ток и мощность рассеяния.

Такая конструкция отличается достаточно простой технологией изготовления и невысокой стоимостью конечного изделия, поэтому получила широкое распространение в компонентах общего назначения.

Пленочные потенциометры

Пленочные потенциометры (металлопленочные) используют в качестве резистивного элемента тонкую металлическую пленку на основе сплавов никеля и хрома. Ее формируют на изолирующем основании методами вакуумного напыления или распыления.

Малая толщина резистивной пленки позволяет создавать потенциометры в очень компактных корпусах. Устройства отличаются высокой влаго- и теплостойкостью, обладают низким уровнем паразитных реактивных составляющих и хорошие частотные характеристики. При этом рабочий диапазон сопротивлений у подобных компонентов обычно ограничен сравнительно небольшими значениями, а допустимая мощность невелика.

Используются преимущественно в маломощных цепях в качестве подстроечных элементов при калибровке измерительной аппаратуры, настройке усилительных каскадов и установке рабочих режимов аналоговых схем.

Керметные потенциометры

Керметные потенциометры (металлокерамические) содержат резистивный элемент на основе гетерогенного материала, в котором металлическая составляющая сочетается с одной или несколькими керамическими фазами. При этом резистивный слой имеет непрерывную структуру, благодаря чему сопротивление изменяется плавно на всем рабочем участке и может регулироваться с высокой разрешающей способностью.

По сравнению с углеродными элементами керметные отличаются более высокой температурно-временной стабильностью и воспроизводимостью характеристик. По сравнению с металлопленочными они могут обеспечивать более высокие значения сопротивления при сопоставимых габаритах, хотя по температурной стабильности отдельные металлопленочные конструкции превосходят их.

Благодаря этим особенностям, их используют для точной регулировки параметров аналоговых и высокочастотных схем, где требуется воспроизводимая настройка сопротивления в ограниченном диапазоне.

Потенциометры из проводящего пластика

Потенциометры из проводящего пластика имеют резистивный элемент из полимерного композиционного материала с проводящей углеродной фазой. В качестве полимерной основы используют синтетические смолы, а углеродный наполнитель обеспечивает требуемое удельное сопротивление. Полученный материал формируют в виде непрерывной резистивной дорожки, по которой перемещается контакт.

Пластиковая дорожка обеспечивает практически непрерывное изменение выходного сигнала и уменьшает колебания переходного сопротивления при скольжении контакта, благодаря чему снижается уровень электрического шума. Такие элементы также отличаются большим ресурсом, чем альтернативные конструкции.

Наиболее часто применяется в линейных и угловых датчиках для прямого измерения перемещения и длины в системах управления технологическими процессами

По особому назначению

Подстроечные потенциометры

Рисунок 8. Подстроечный потенциометр

Подстроечные потенциометры предназначены для первоначальной настройки или периодической корректировки электрических параметров схемы. Их обычно устанавливают внутри корпуса устройства и изменяют положение контакта специальным инструментом, после чего выбранное значение сопротивления сохраняется на протяжении эксплуатации. Такие компоненты широко применяют при калибровке аппаратуры, установке режимов усилительных каскадов, настройке источников питания и компенсации разброса параметров электронных компонентов.

Прецизионные потенциометры

Рисунок 9. Прецизионный потенциометр

Прецизионные потенциометры — это высокоточные переменные резисторы, которые обеспечивают стабильное и минимально искаженное преобразование механического перемещения (поворота вала или линейного сдвига ползунка) в электрический сигнал. В современной аппаратуре их часто используют как датчики положения и элементы обратной связи в приводах и системах позиционирования.

Декадные потенциометры

Рисунок 10. Декадный потенциометр

Декадные потенциометры позволяют устанавливать сопротивление или отношение напряжений ступенчато, с последовательным выбором значений отдельных декад. Каждая декада соответствует определенному разряду устанавливаемой величины, поэтому несколько декад дают возможность задавать значение с требуемой точностью и разрешением. Такая конструкция характерна для измерительной техники; декадные потенциометрические схемы применяют, в частности, в высокоточных измерительных делителях и мостовых схемах

Моторизованные потенциометры

Рисунок 11. Моторный потенциометр

Моторизованные (моторные) потенциометры оснащаются электродвигателем, который перемещает подвижный контакт без непосредственного воздействия пользователя. Это позволяет автоматически устанавливать заданное положение, дистанционно изменять параметр и возвращать регулятор к ранее сохраненному значению. Наиболее характерное применение — микшерные пульты и другая аудиотехника с моторизованными фейдерами; также такие устройства используют в системах автоматического и дистанционного управления.

Характеристики потенциометра — как выбрать потенциометр

Сопротивление

Сопротивление — основной электрический параметр потенциометра, который показывает, насколько сильно он «препятствует» прохождению электрического тока. При подборе важно понимать, что номинальное сопротивление напрямую влияет на режим работы схемы: при слишком малом значении через потенциометр протекает больший ток, что увеличивает нагрузку на источник питания и может привести к перегреву или снижению ресурса. При слишком большом сопротивлении возрастает чувствительность к входным токам последующих каскадов и внешним наводкам, что ухудшает стабильность и точность сигнала. Поэтому номинал выбирают так, чтобы обеспечить баланс между допустимой нагрузкой на цепь и устойчивостью выходного сигнала к помехам, ориентируясь на значение, указанное производителем.

Мощность

Мощность рассеяния — максимальная мощность, которую потенциометр способен длительно рассеивать без ухудшения его рабочих характеристик. Она ограничивает ток, который может проходить через резистивный элемент, и зависит от конструкции, материала резистивного элемента и условий охлаждения. Для многих потенциометров допустимая мощность указывается при определенной температуре окружающей среды и снижается при ее повышении.

При использовании потенциометра как делителя следует учитывать мощность, выделяющуюся во всем резистивном элементе, а также ее распределение по отдельным участкам. Поэтому нельзя автоматически считать, что на каждом положении контакта допустимая мощность определяется только сопротивлением выбранного участка.

Рабочее напряжение

Рабочее напряжение определяет максимальное напряжение, которое допускается подавать на выводы потенциометра. Его учитывают вместе с номинальным сопротивлением и мощностью, поскольку увеличение напряжения приводит к росту мощности, выделяемой на резистивном элементе. Для конкретной модели предельно допустимое напряжение устанавливается производителем и может быть ограничено как электрической прочностью элемента, так и допустимой мощностью.

Погрешность (допуск)

Допуск сопротивления показывает, насколько фактическое полное сопротивление потенциометра может отличаться от номинального. Например, при номинале 10 кОм и допуске ±10 % фактическое сопротивление может находиться в пределах от 9 до 11 кОм. Этот параметр особенно важен в схемах, где сопротивление потенциометра непосредственно определяет режим работы или коэффициент деления напряжения.

Нелинейность

Нелинейность характеризует отклонение фактической зависимости сопротивления от заданной функциональной характеристики. Для линейного потенциометра идеальная зависимость является пропорциональной положению подвижного контакта, однако реальная характеристика отклоняется от нее в пределах, установленных производителем. Чем меньше нелинейность, тем точнее изменение сопротивления соответствует заданному закону регулирования.

Угол поворота

Рабочий угол — угол поворота оси, в пределах которого потенциометр обеспечивает требуемую зависимость выходного сигнала от положения движка. Он не всегда совпадает с полным механическим углом поворота: между крайними положениями механизма и рабочим участком могут существовать зоны упора или участки, не участвующие в регулировании. Для однооборотных потенциометров рабочий угол обычно составляет несколько сотен градусов, а многооборотные конструкции позволяют распределить полный диапазон регулирования на несколько оборотов.

Количество оборотов

Количество оборотов определяет число полных оборотов вала, необходимое для перемещения подвижного контакта от одного конца рабочего диапазона до другого. У однооборотных потенциометров весь диапазон регулирования охватывает менее одного полного оборота, тогда как многооборотные конструкции распределяют его на несколько оборотов. Увеличение числа оборотов позволяет точнее устанавливать требуемое значение сопротивления, поскольку одинаковое изменение этого значения приходится на больший угол поворота вала.

Рабочая температура

Рабочая температура определяет диапазон, при котором потенциометр сохраняет стабильную работу без заметного изменения сопротивления, ухудшения точности или механических свойств. При выходе за этот диапазон, параметры начинают отклоняться от номинальных значений: увеличивается погрешность, ускоряется износ и снижается надежность контакта.

Температурный коэффициент

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) показывает относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус. Обычно его выражают в ppm/°C или %/°C. Чем меньше значение ТКС, тем меньше сопротивление зависит от температуры и тем стабильнее установленный режим работы.

Этот параметр особенно важен для прецизионных потенциометров, поскольку даже небольшое изменение сопротивления может приводить к заметной погрешности выходного сигнала. При этом значение ТКС может различаться для разных участков сопротивления и температурных диапазонов конкретного изделия.

Способ монтажа

Способ монтажа определяет, каким образом потенциометр устанавливается в аппаратуре и подключается к электрической схеме. Наиболее распространены монтаж на печатную плату и панель; для печатных плат применяют исполнения с выводами для пайки в отверстия (THT) и поверхностного монтажа (SMD), а панельные модели оснащают крепежной резьбой или иными элементами фиксации.

Защищенность корпуса

Степень защиты корпуса характеризует устойчивость потенциометра к проникновению частиц пыли и воды, для ее обозначения используется код IP согласно соответствующему стандарту. Первая цифра характеризует защиту от твердых объектов и пыли, вторая — от воздействия воды.

Для оборудования, работающего внутри закрытого корпуса (например, шкафов автоматики), обычно достаточно базовых исполнений с защитой IP40–IP54, где обеспечивается защита от случайного контакта. Для наружной установки, а также для промышленного оборудования, работающего в агрессивных условиях среды, применяются корпуса с более высокой степенью защиты — IP65 и выше, которые гарантируют полную пыленепроницаемость и защиту от прямого контакта с со струей воды.

Ресурс

Ресурс потенциометра характеризуется допустимым числом перемещений подвижной системы, в течение которого его параметры сохраняют соответствие установленным техническим требованиям. Механический ресурс зависит от конструкции резистивного элемента и контактной системы. Например, у потенциометров с углеродным резистивным слоем, ресурс ограничен примерно 25 тысячами циклами, тогда как у отдельных моделей с проводящим пластиком ресурс может быть свыше 10 млн циклов.

Применение потенциометров

Потенциометр может выполнять в электрической схеме различные функции в зависимости от способа его включения. Основные варианты — использование в качестве делителя напряжения, регулируемого сопротивления (реостата) и датчика положения.

Потенциометр как делитель напряжения

При подключении потенциометра между источником напряжения и нагрузкой он работает как регулируемый делитель напряжения. Перемещение подвижного контакта изменяет соотношение сопротивлений между ним и крайними выводами, благодаря чему изменяется напряжение на выходе. Такой способ включения позволяет плавно регулировать напряжение в заданном диапазоне.

Потенциометр как реостат

При последовательном включении потенциометра с нагрузкой его используют как регулируемое сопротивление — реостат. Перемещение подвижного контакта изменяет сопротивление участка цепи и тем самым позволяет регулировать ток, протекающий через нагрузку. При таком включении задействуются один крайний вывод и подвижный контакт; второй крайний вывод обычно соединяют с подвижным для повышения надежности контакта.

Потенциометр как датчик положения

В режиме датчика положения потенциометр преобразует механическое перемещение подвижной системы в электрический сигнал. При подаче опорного напряжения на крайние выводы напряжение на подвижном контакте изменяется в зависимости от его положения, что позволяет определить угол поворота вала или величину линейного перемещения. Такой принцип используют для получения сигнала обратной связи и контроля положения механизмов.

Потенциометр как регулятор уровня сигнала

В аналоговых и аудиосхемах потенциометр применяют для изменения уровня электрического сигнала. В зависимости от схемы включения перемещение контакта изменяет долю сигнала, передаваемую на следующий каскад, поэтому такой способ используется, например, для регулировки громкости и уровня входного сигнала.

Как подключить потенциометр

Способ подключения зависит от функции, которую должен выполнять потенциометр в электрической схеме. Большинство потенциометров имеют три вывода: два соединены с противоположными концами резистивного элемента, третий — с подвижным контактом. Подключение всех трех выводов позволяет использовать компонент как регулируемый делитель напряжения, а подключение подвижного контакта и одного из крайних выводов — как переменное сопротивление (реостат).

Схемы подключения потенциометра

Рисунок 12. Схемы подключения потенциометра, как делителя и реостата

Как проверить работу потенциометра

Проверку выполняют мультиметром в режиме измерения сопротивления при отключенном от схемы потенциометре. Между двумя крайними выводами должно измеряться сопротивление, близкое к номинальному и практически не изменяющееся при вращении или перемещении регулятора. Между подвижным контактом и каждым крайним выводом сопротивление должно плавно или ступенчато (в зависимости от типа) изменяться при перемещении контакта: при этом сумма двух измеренных сопротивлений должна оставаться приблизительно равной сопротивлению между крайними выводами.

Рисунок 13. Проверка потенциометра мультиметром

При медленном перемещении контакта показания мультиметра не должны иметь резких скачков, кратковременного обрыва или нестабильных значений. Такие признаки могут указывать на загрязнение или износ резистивной дорожки и подвижного контакта.