Переменный резистор как работает

Переменные резисторы

Переменные резисторы (резисторы переменного сопротивления, потенциометры) являются пассивными элементами, сопротивление которых можно изменять от нуля и до номинального значения. Они применяются в качестве регуляторов усиления, регуляторов громкости и тембра в звуковоспроизводящей радиоаппаратуре, используются для точной и плавной настройки различных напряжений.

Устройство переменного резистора

Переменные резисторы представляют собой цилиндрический или прямоугольный корпус, внутри которого расположен резистивный элемент, выполненный в виде незамкнутого кольца, и выступающая металлическая ось (рис. 1). На конце оси закреплена пластина токосъемника (контактная щетка), имеющая надежный контакт с резистивным элементом. Надежность контакта щетки с поверхностью резистивного слоя обеспечивается давлением ползунка, выполненного из пружинных материалов, например, бронзы или стали.

Рис. 1 — Устройство переменного резистора

Переменные резисторы, имеют два постоянных вывода и один подвижный. Постоянные выводы расположены по краям резистора и соединены с началом и концом резистивного элемента, образующим общее сопротивление потенциометра. Средний вывод соединен с подвижным контактом, который перемещается по поверхности резистивного элемента и позволяет изменять величину сопротивления между средним и любым крайним выводом.

В зависимости от резистивного элемента переменные резисторы разделяются на непроволочные и проволочные.

Принцип действия переменного резистора

При вращении ручки ползунок перемещается по поверхности резистивного элемента, в результате чего сопротивление изменяется между средним и крайними выводами. Если на крайние выводы подать напряжение, то между ними и средним выводом получают выходное напряжение. Переменный резистор работает как делитель напряжения, с той лишь разницей, что вращение ручки приводит к изменению положения контакта (2) и тем самым изменяется соотношение сопротивлений резисторов R1 и R2.

Рис. 2 — Принцип действия переменного резистора

Основные параметры переменных резисторов.

Основными параметрами резисторов являются: полное (номинальное) сопротивление, форма функциональной характеристики, минимальное сопротивление, номинальная мощность, уровень шумов вращения, износоустойчивость, параметры, характеризующие поведение резистора при климатических воздействиях, а также размеры, стоимость и т.п. Однако при выборе резисторов чаще всего обращают внимание на номинальное сопротивление и реже на функциональную характеристику.

Номинальное сопротивление

Номинальное сопротивление резистора указывается на его корпусе. Согласно ГОСТ 10318-74 предпочтительными числами являются 1,0; 2,2; 3,3; 4,7 Ом, килоом или мегаом.

У зарубежных резисторов предпочтительными числами являются 1,0; 2,0; 3,0; 5.0 Ом, килоом и мегаом.

Допускаемые отклонения сопротивлений от номинального значения установлены в пределах ±30%.

Полным сопротивлением резистора считается сопротивление между крайними выводами 1 и 3.

Рис. 3 — Обозначение номинального сопротивления на корпусе переменных резисторов

Форма функциональной характеристики

Потенциометры одного и того же типа могут отличаться функциональной характеристикой, определяющей по какому закону изменяется сопротивление резистора между крайним и средним выводом при повороте ручки резистора. По форме функциональной характеристики потенциометры разделяются на линейные и нелинейные: у линейных величина сопротивления изменяется пропорционально движению токосъемника, у нелинейных она изменяется по определенному закону.

Существуют три основных закона (рис. 4):

А — Линейный,

Б – Логарифмический,

В — Обратно Логарифмический (Показательный).

Например, для регулирования громкости в звуковоспроизводящей аппаратуре необходимо, чтобы сопротивление между средним и крайним выводом резистивного элемента изменялось по обратному логарифмическому закону (В). Только в этом случае наше ухо способно воспринимать равномерное увеличение или уменьшение громкости.

Или в измерительных приборах, например, генераторах звуковой частоты, где в качестве частотозадающих элементов используются переменные резисторы, также требуется, чтобы их сопротивление изменялось по логарифмическому (Б) или обратному логарифмическому закону. И если это условие не выполнить, то шкала генератора получится неравномерной, что затруднит точную установку частоты.

Резисторы с линейной характеристикой (А) применяются в основном в делителях напряжения в качестве регулировочных или подстроечных.

Рис. 4 — График функциональных характеристик переменных резисторов

Для получения нужной функциональной характеристики большие изменения в конструкцию потенциометров не вносятся. Так, например, в проволочных резисторах намотку провода ведут с изменяющимся шагом или сам каркас делают изменяющейся ширины. В непроволочных потенциометрах меняют толщину или состав резистивного слоя.

Рис. 5 — Вариант конструкции резистивного элемента

Регулируемые резисторы имеют относительно невысокую надежность и ограниченный срок службы. При эксплуатации аудиоаппаратуры, приходится слышать шорохи и треск из громкоговорителя при вращении регулятора громкости. Причиной этого является нарушение контакта щетки с токопроводящим слоем резистивного элемента или износ последнего. Скользящий контакт является наиболее ненадежным и уязвимым местом переменного резистора и является одной из главной причиной выхода детали из строя.

Обозначение переменных резисторов на схемах

На принципиальных схемах переменные резисторы обозначаются также как и постоянные, только к основному символу добавляется стрелка, направленная в середину корпуса. Стрелка обозначает регулирование и одновременно указывает, что это средний вывод (рис. 6).

Рис. 6 — Обозначение переменных резисторов на электрических схемах

Иногда возникают ситуации, когда к переменному резистору предъявляются требования надежности и длительности эксплуатации. В этом случае плавное регулирование заменяют ступенчатым, а переменный резистор строят на базе переключателя с несколькими положениями. К контактам переключателя подключают резисторы постоянного сопротивления, которые будут включаться в цепь при повороте ручки переключателя. И чтобы не загромождать схему изображением переключателя с набором резисторов, указывают только символ переменного резистора со знаком ступенчатого регулирования. А если есть необходимость, то дополнительно указывают и число ступеней.

Рис. 7 — Обозначение ступенчатого регулирования

Для регулирования громкости и тембра, уровня записи в звуковоспроизводящей стереофонической аппаратуре, для регулирования частоты в генераторах сигналов и т.д. применяются сдвоенные потенциометры, сопротивления которых изменяется одновременно при повороте общей оси (движка). На схемах символы входящих в них резисторов располагают как можно ближе друг к другу, а механическую связь, обеспечивающую одновременное перемещение движков, показывают либо двумя сплошными линиями, либо одной пунктирной линией.

Рис. 8 — Обозначение сдвоенных переменных резисторов

Принадлежность резисторов к одному сдвоенному блоку указывается согласно их позиционному обозначению в электрической схеме, где R1.1 является первым по схеме резистором сдвоенного переменного резистора R1, а R1.2 — вторым. Если же символы резисторов окажутся на большом удалении друг от друга, то механическую связь обозначают отрезками пунктирной линии.

Рис. 9 — Обозначение механической связи сдвоенных переменных резисторов

Промышленностью выпускаются сдвоенные переменные резисторы, у которых каждым резистором можно управлять отдельно, потому что ось одного проходит внутри трубчатой оси другого. У таких резисторов механическая связь, обеспечивающая одновременное перемещение, отсутствует, поэтому на схемах ее не показывают, а принадлежность к сдвоенному резистору указывают согласно позиционному обозначению в электрической схеме.

В переносной бытовой аудиоаппаратуре часто используют переменные резисторы со встроенным выключателем, контакты которого задействуют для подачи питания в схему устройства. У таких резисторов переключающий механизм совмещен с осью (ручкой) переменного резистора и при достижении ручкой крайнего положения воздействует на контакты.

Рис. 10 — Обозначение переменных резисторов со встроенным выключателем

Как правило, на схемах контакты включателя располагают возле источника питания в разрыв питающего провода, а связь выключателя с резистором обозначают пунктирной линией и точкой, которую располагают у одной из сторон прямоугольника. При этом имеется в виду, что контакты замыкаются при движении от точки, а размыкаются при движении к ней.

Типы переменных резисторов

Ползунковый потенциометр

Двойной ползунковый потенциометр

Многооборотный ползунковый потенциометр

Непроволочные переменные резисторы

В непроволочных переменных резисторах резистивный элемент выполнен в виде подковообразной или прямоугольной пластины из изоляционного материала, на поверхность которых нанесен резистивный слой, обладающий определенным омическим сопротивлением.

Резисторы с подковообразным резистивным элементом имеют круглую форму и вращательное перемещение ползунка с углом поворота 230 — 270°, а резисторы с прямоугольным резистивным элементом имеют прямоугольную форму и поступательное перемещение ползунка. Наиболее популярными являются резисторы типа СП, ОСП, СПЕ и СП3. На рисунке 11 показан переменный резистор типа СП3-4 с подковообразным резистивным элементом.

Рис. 11 — Непроволочный переменный резистор

Отечественной промышленностью выпускались переменные резисторы типа СПО (рис. 12), у которых резистивный элемент впрессован в дугообразную канавку. Корпус такого резистора выполнен из керамики, а для защиты от пыли, влаги и механических повреждений, а также в целях электрической экранировки весь резистор закрывается металлическим колпачком.

Переменные резисторы типа СПО обладают большой износостойкостью, нечувствительны к перегрузкам и имеют небольшие размеры, но у них есть недостаток – сложность получения нелинейных функциональных характеристик. Эти резисторы до сих пор еще можно встретить в старой отечественной радиоаппаратуре.

Рис. 12 — Переменный резистор типа СПО

Проволочные переменные резисторы

В проволочных переменных резисторах (рис. 13) сопротивление создается высокоомным проводом, намотанным в один слой на кольцеобразном каркасе, по ребру которого перемещается подвижный контакт. Для получения надежного контакта между щеткой и обмоткой контактная дорожка зачищается, полируется, или шлифуется на глубину до 0,25d.

Рис. 13 — Устройство проволочного переменного резистора

Устройство и материал каркаса определяется исходя из класса точности и закона изменения сопротивления резистора . Каркасы изготавливают из пластины, которую после намотки провода сворачивают в кольцо, или же берут готовое кольцо, на которое укладывают обмотку.

Для резисторов с точностью, не превышающей 10. 15%, каркасы изготавливают из пластины, которую после намотки провода сворачивают в кольцо. Материалом для каркаса служат изоляционные материалы, такие как гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, или металл – алюминий, латунь и т.п. Такие каркасы просты в изготовлении, но не обеспечивают точных геометрических размеров.

Каркасы из готового кольца изготавливают с высокой точностью и применяют в основном для изготовления переменных резисторов. Материалом для них служит пластмасса, керамика или металл, но недостатком таких каркасов является сложность выполнения обмотки, так как для ее намотки требуется специальное оборудование.

Обмотку выполняют проводами из сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением, например, константан, нихром или манганин в эмалевой изоляции. Для переменных резисторов применяют провода из специальных сплавов на основе благородных металлов, обладающих пониженной окисляемостью и высокой износостойкостью. Диаметр провода определяют исходя из допустимой плотности тока.

Подстроечные резисторы

Подстроечные резисторы являются разновидностью переменных и служат для разовой и точной настройки радиоэлектронной аппаратуры в процессе ее монтажа, наладки или ремонта. В качестве подстроечных используют как переменные резисторы обычного типа с линейной функциональной характеристикой, ось которых выполнена «под шлиц» и снабжена стопорным устройством, так и резисторы специальной конструкции с повышенной точностью установки величины сопротивления.

Рис. 14 — Подстроечные резисторы

В основной своей массе подстроечные резисторы специальной конструкции изготавливают прямоугольной формы с плоским или кольцевым резистивным элементом. Резисторы с плоским резистивным элементом (рис. 15,а) имеют поступательное перемещение контактной щетки, осуществляемое микрометрическим винтом. У резисторов с кольцевым резистивным элементом (рис. 15,б) перемещение контактной щетки осуществляется червячной передачей.

Рис. 15 — Подстроечные резисторы специальной конструкции (многооборотные)

При больших нагрузках используются открытые цилиндрические конструкции резисторов, например, ПЭВР.

Рис. 16 — Мощный подстроечный резистор типа ПЭВР

На принципиальных схемах подстроечные резисторы обозначаются также как и переменные, только вместо знака регулирования используется знак подстроечного регулирования.

Рис. 17 — Условное графическое обозначение подстроечного резистора

Включение переменных резисторов в электрическую цепь.

В электрических схемах переменные резисторы могут применяться в качестве реостата (регулятора тока) или в качестве потенциометра (делителя напряжения). Если в электрической цепи необходимо регулировать ток, то резистор включают реостатом, если напряжение, то включают потенциометром.

При включении резистора реостатом задействуют средний и один крайний вывод. Однако такое включение не всегда предпочтительно, так как в процессе регулирования возможна случайная потеря средним выводом контакта с резистивным элементом, что повлечет за собой нежелательный разрыв электрической цепи и, как следствие, возможный выход из строя детали или электронного устройства в целом.

Рис. 18 — Включение переменного резистора реостатом (вариант 1)

Чтобы исключить случайный разрыв цепи свободный вывод резистивного элемента соединяют с подвижным контактом, чтобы при нарушении контакта электрическая цепь всегда оставалась замкнута.

Рис. 19 — Включение переменного резистора реостатом (вариант 2)

На практике включение реостатом применяют тогда, когда хотят переменный резистор использовать в качестве добавочного или токоограничивающего сопротивления.

При включении резистора потенциометром задействуются все три вывода, что позволяет его использовать делителем напряжения. Возьмем, к примеру, переменный резистор R1 с таким номинальным сопротивлением, которое будет гасить практически все напряжение источника питания, приходящее на лампу HL1. Когда ручка резистора выкручена в крайнее верхнее по схеме положение, то сопротивление резистора между верхним и средним выводами минимально и все напряжение источника питания поступает на лампу, и она светится полным накалом.

Рис. 20 — Включение переменного резистора делителем напряжения

По мере перемещения ручки резистора вниз сопротивление между верхним и средним выводом будет увеличиваться, а напряжение на лампе постепенно уменьшаться, отчего она станет светить не в полный накал. А когда сопротивление резистора достигнет максимального значения, напряжение на лампе упадет практически до нуля, и она погаснет. Именно по такому принципу происходит регулирование громкости в звуковоспроизводящей аппаратуре.

Эту же схему делителя напряжения можно изобразить по-другому, где переменный резистор заменяется двумя постоянными R1 и R2.

Переменный резистор: типы, устройство и принцип работы

Резисторы переменного сопротивления – это пассивные элементы электроцепей, задача которых – изменять сопротивление от нуля до необходимого значения. В бытовых аппаратах и электроприборах они выполняют функции регуляторов тембра, громкости, реализовывают плавную или ступенчатую настройку напряжения, частоты приема, уровня свечения, температуры.

Устройство и принцип работы переменного резистора

В состав таких изделий входят:

• корпус – цилиндрический или в форме параллелепипеда;
• резистивный элемент с обозначенным наибольшим сопротивлением;
• 2 вывода резистивного элемента, монтируемые в электроцепь;
• промежуточный вывод, состыкованный с мобильным контактом, который движется по коллектору с уменьшением или повышением сопротивления между промежуточным и одним из крайних выводов;
• ручки для руководства регулировочным механизмом.

Как работает переменный резистор: с помощью ручки сопротивление изменяют от минимума до номинальной величины, которая отражается на корпусе в виде буквенно-цифрового кода. Руководство характеристиками осуществляется непосредственно в период функционирования прибора.

Типы конструкций переменных резисторов

По конструктивному исполнению резистивного элемента изделия разделяют на непроволочные и проволочные.

Непроволочные

Резистивный элемент представляет собой пластину – прямоугольную или подковообразную, покрытую тонкой пленкой из бора, углерода, металлических или композитных материалов. При производстве пластины используется изоляционный материал. По пластине-подкове ползунок, надежно состыкованный с регулировочным механизмом, осуществляет вращательное перемещение с углом поворота до 270°, по прямоугольной – поступательное.

Проволочные

В состав таких устройств входит пластиковый или керамический каркас в виде трубки, на который наматывается манганиновая, нихромовая или константановая проволока, обладающая значительным сопротивлением. По проволочной намотке перемещается ползунок. Витки располагают плотно друг к другу, но между ними наносят разделительные лаковые слои. Одновременное касание ползунка предыдущего и последующего витков проволоки обеспечивает плавность регулирования. Для создания эффективного контакта дорожку зачищают, шлифуют или полируют.

При производстве каркасов востребованы как изоляционные материалы – гетинакс, стеклотекстолит, текстолит, пластмасса, керамика, так и токопроводящие – алюминий, латунь и прочие металлы и сплавы. Каркасы могут быть изготовлены из пластины, сворачиваемой в кольцо, или из заранее изготовленного кольца, на которое наматывают проволоку. Первый вариант отличается простой производственной технологией, но не способен обеспечить высокую точность геометрии, второй – с точными размерами, но для намотки проволоки необходимо специализированное оборудование. Диаметр проволоки зависит от допустимой плотности тока.

Классификация резисторов по количеству контактов

По этому параметру изделия разделяют на следующие группы:

• Одноэлементные – конструкции стандартного исполнения с двумя неподвижными и одним промежуточным мобильным контактом.
• Многоэлементные – сдвоенные, строенные и счетверенные. Число контактов определяется количеством резистивных компонентов, расположенных в едином корпусе. Ползунки могут быть связаны или не связаны между собой, что определяет синхронное или автономное регулирование.

• С выключателем. В конструкции таких моделей имеются выводы для подсоединения цепи электропитания, что позволяет поворотом ручки не только регулировать определенные параметры, но и включать/выключать прибор. Изделия востребованы в мобильной аппаратуре.

Виды резисторов по принципу действия

При предъявлении особых требований к надежности и продолжительности эксплуатационного периода плавное регулирование заменяется ступенчатым. Основой такого устройства является переключатель с несколькими положениями, к контактам присоединяют резисторы постоянного сопротивления. Они включаются в электроцепь при повороте ручки. Переменные резисторы, обеспечивающие ступенчатое регулирование, называют дискретными, их применяют для управления частотой, громкостью и другими характеристиками.

В приборах, в которых достаточно только одного оборота для регулирования, используются однооборотные резисторы. Вращение обычно происходит максимум на ¾ оборота. В многооборотных устройствах ручка может осуществлять 5, 10, 20 оборотов.

Разновидность переменных резисторов – подстроечные, они предназначены для настройки радиоэлектроники в период ремонта, монтажа и наладки. Функции подстроечных могут выполнять обычные резисторы с линейной функциональной характеристикой, имеющие ось «под шлиц» и стопор. Еще один вариант – специальные изделия, позволяющие особо точно выставить значение сопротивления.

Подстроечные модели, в отличие от обычных устройств, рассчитаны на малое число действий и не выводятся на лицевую панель аппарата. Эти компактные изделия монтируются на электронной плате и востребованы только в период настройки и наладки, после чего их фиксируют клеем или краской. Для удобства регулировки в электроприборах иногда устанавливается два подстроечных устройства – для грубой и точной регулировки.

Основные характеристики переменных резисторов

Основополагающей величиной при выборе подходящего устройства является номинальное сопротивление, а затем уже – прочие характеристики.

Полное сопротивление

Эта величина отображается на корпусе изделия. В соответствии с ГОСТом 10318 оптимальными значениями, по российской версии, являются 1,0, 2,2, 3,3, 4,7 Ом, кОм, МОм, по зарубежной – 1,0, 2,0, 3,0, 5,0 Ом, кОм, МОм. Разрешенные отклонения находятся в интервале +/- 30%.

Форма функциональной характеристики

Устройства одного типа могут иметь разные функциональные характеристики, устанавливающие, по какой закономерности варьируется сопротивление между промежуточным и крайним выводами при повороте ручки. Функциональная характеристика бывает:

• Линейная. В этом случае величина сопротивления варьируется пропорционально передвижению ползунка. Устройства с линейной характеристикой реализуют функции подстроечных или регулировочных моделей в делителях напряжения.
• Нелинейная. Осуществляется по логарифмическому и обратному логарифмическому законам. Использование обратного логарифмического закона в работе резисторов, используемых в звуковоспроизводящих аппаратах, обеспечивает равномерную вариацию уровня громкости. В генераторах частоты используются изделия, работающие в соответствии с логарифмической и обратной логарифмической закономерностями.

Номинальная или рассеиваемая мощность

Этот параметр характеризует наибольшую мощность, рассеиваемую в виде тепловой энергии при долговременной электронагрузке без снижения работоспособности устройства. Обычные электроаппараты оснащены переменными резисторами мощностью 0,04, 0,25, 0,5, 1,0, 2,0 Вт. Проволочные модели могут иметь гораздо большую мощность, по сравнению с тонкопленочными, поскольку тонкая резистивная пленка не способна выдерживать высокие токи.

Максимально допустимое рабочее напряжение

Этот параметр переменных резисторов прост и понятен. Нельзя эксплуатировать это устройство в цепях с напряжением большим, чем значение, установленное для конкретной модели.

ТКС – температурный коэффициент сопротивления

Эта характеристика показывает, как изменяется сопротивление при повышении или понижении температуры наружного пространства на 10°C. ТКС важен при эксплуатации устройств в нестандартных климатических условиях. Чем меньше значение коэффициента, тем устойчивее модель к колебаниям температуры.

Точность или допуск

У обычных переменных и подстроечных резисторов эта характеристика обычно находится в пределах 10…30%.

Рабочая температура

Эта характеристика указывается в виде температурного диапазона, в котором резистивный элемент сохраняет рабочие параметры и может эффективно выполнять свои функции.

Износоустойчивость

Износоустойчивостью называют количество циклов перемещения мобильного контакта, при котором характеристики изделия не выходят за пределы интервала, указанного в технической документации. В особо точных (прецизионных) устройствах этот показатель достигает до 10 7 , но их минус – низкая вибрационная устойчивость. Регулировочные резисторы устойчивы к вибрационным и другим механическим воздействиям, но их износостойкость обычно ограничивается 1000 циклами.

Уровень шумов

Шумы – электрические помехи – возникают при движении мобильного контакта. Их величина зависит от изношенности контактирующих поверхностей, плотности прижима ползунка, скорости перемещения.

Маркировка переменных резисторов – старая и новая системы

В старой российской системе буквенно-цифровых обозначений переменных резисторов указывают:

• тип изделия – СП;
• первая цифра – вид материала и способ производства;
• вторая – номер регистрации.

Маркировка по материалу и способу производства:

• 1 – непроволочные тонкослойные с углеродом и бороуглеродом;
• 2 – непроволочные тонкослойные с металлической пленкой и металлооксидами;
• 3 – непроволочные композитные пленочные;
• 4 – непроволочные композитные объемные;
• 5 – из проволоки;
• 6 – непроволочные тонкослойные металлизованные.

Актуальная система маркировки выглядит следующим образом:

• тип – РП;
• первая цифра – разновидность резистивного элемента (1 – непроволочный, 2 – из проволоки или металлической фольги);
• вторая цифра – номер регистрации типа устройства;
• номинальное сопротивления – главный элемент маркировки;
• год выпуска;
• тип функциональной характеристики;
• буква, обозначающая величину допустимого отклонения от номинального значения.

Общий маркировочный стандарт для этих устройств отсутствует – обозначение изделий зарубежных производителей отличается от маркировки отечественной продукции.

Возможные схемы подключения переменных резисторов

Резисторы переменного сопротивления в электроцепях могут использоваться как потенциометры или как реостаты.

Потенциометры

При подключении потенциометром используются все три контакта, что позволяет применять переменный резистор в качестве делителя напряжения. Потенциометры востребованы для установки требуемого уровня звука, тембра, напряжения, освещения.

Реостстаты (регуляторы тока)

Включение резистора в качестве реостата подразумевает использование среднего и одного крайнего выводов. Минус решения – вероятность потери связи между средним выводом и резистивным элементом. Последствие – несанкционированный разрыв электроцепи, в результате чего устройство или весь электроприбор могут выйти из строя. Включение этим способом целесообразно только в тех случаях, когда резистор должен выполнить функции добавочного сопротивления или ограничителя по току.

Как подобрать переменный резистор – полезные рекомендации

Перед выбором подходящего изделия определяют:

• R (сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока), Ом;
• P (мощность) = U (напряжение)* I (сила тока), Вт.

Для эффективного функционирования электроцепи необходимо провести анализ условий эксплуатации всех ее элементов – конкретное назначение, схему подключения, условия окружающей среды и другие важные факторы. При выборе учитывают:

• интервал изменения сопротивлений – указываются минимальное и максимальное значения;
• рассеиваемую мощность;
• точность регулировки;
• тепловое сопротивление;
• угол, на который может повернуться регулятор.

Производители предлагают изделия в двух конструктивных исполнениях – для навесного или поверхностного монтажа (SMD-элементы). SMD-резисторы производятся по пленочной технологии, такие устройства отличаются компактными габаритами.

Принцип работы и выбор потенциометра

Потенциометр – это переменный резистор, сопротивление которого можно регулировать механическим способом от 0 до номинала. Потенциометры используются в качестве делителя напряжения для его плавной регулировки.

Устройство и принцип действия потенциометра

Потенциометр состоит из следующих элементов, указанных на схеме:

• резистивное вещество, определяющее номинал сопротивления с вмонтированными по обоим краям выводами 1 и 2;
• подвижный ползунок, соединенный с контактом 3, передвигаемый для увеличения-уменьшения сопротивления;
• ручка для управления.

Потенциометр (переменный резистор) оснащён ручным управлением. По центральной оси выводится ручка, при повороте которой можно изменить положение ползунка. Потенциометры Meyertec встроены в пластиковый корпус для монтажа в отверстие 22,5 мм.

Принцип действия потенциометра заключается в следующем. При механическом повороте ручки ползунок передвигается по плоскости подковы с резистивным веществом. Вследствие этого сопротивление изменяется между выводом 3 и выводами 1 и 2. Если на выводы 1 и 2 подать ток, то между ними и выводом 3 получается выходное напряжение. Таким образом потенциометр выполняет функции делителя напряжения.

Применение и принцип работы потенциометра с другими устройствами

Внешний потенциометр в промышленности может применяться для управления станками обработки, вентиляцией, температурой различных видов печей и т.д.

Принцип работы потенциометра обеспечивает управление регулятором мощности: мы вручную изменяем уровень напряжения на выходе регулятора. Когда ручка потенциометра повернется и займет, например, среднее положение (5 делений из 10) напряжение на выходе регулятора мощности станет равным половине входного — т.е. 380/2=190В. Таким образом при помощи потенциометра мы можем задать выходное напряжение на регуляторе.

Подключая внешний потенциометр к частотному преобразователю, мы можем вручную регулировать скорость исполнительного механизма, например, электродвигателя. Если задать стандартные уставки скорости двигателя от 0 до 50 Гц, то в крайнем левом положении потенциометра скорость двигателя будет равна 0, а в крайнем правом положении двигатель выйдет на номинальную скорость вращения.

Как выбрать потенциометр

Главную роль при выборе потенциометра играет номинал его полного сопротивления – это уровень сопротивления между неподвижными контактами. Выбирать потенциометр следует опираясь на номинал внешнего переменного резистора, указанный в руководстве по эксплуатации конкретного прибора. Например, для преобразователей частоты ОВЕН ПЧВ1, ПЧВ2, ПЧВ3 используются потенциометры номиналов 1 кОм, 5 кОм, 10 кОм, для регуляторов мощности Meyertec DRU3-125/150/200 — 10 кОм.

В некоторых случаях необходимо принять во внимание и другие параметры, а именно:

• угол поворота регулировочного узла;
• погрешность;
• износостойкость;
• тепловое сопротивление при нагреве;
• рабочая температура.

Почему это важно? При работе оборудования в закрытом пространстве потенциометр не должен перегреваться.

При работе с преобразователями частоты и регуляторами мощности ток в потенциометрах Meyertec небольшой, тепловые потери незначительные, поэтому отводить тепло не требуется.

Важно! Перед пуском схемы в работу необходимо проверить все места пайки и изоляции, а также соблюдать правила техники безопасности.

Сопротивление в движении: что нужно знать о переменных резисторах

Регулировка громкости звуковой системы, фиксация положения пальца на сенсорном экране и определение появления в автомобиле человека – вот всего лишь несколько примеров использования переменных резисторов в повседневной жизни. Возможность изменять сопротивление – это возможность взаимодействовать, поэтому переменные резисторы можно найти во множестве вещей. (Всё, что необходимо знать о постоянных резисторах, описано в предыдущей статье).

Принципы одинаковы, но способов разделения напряжения существует довольно много. Рассмотрим, что лежит в основе верньеров, реостатов, мембранных потенциометров, резистивных сенсорных экранов, а также датчиков изгиба и растяжения.

Потенциометр

Потенциометры, по сути – это делители напряжения. Это метод разделения заданного напряжения на меньшие значения. Согласно схеме, у потенциометра (серый) есть три точки соединения. Средняя – переменная (обозначена стрелкой), и она контактирует с материалом резистора внутри где-то в одной из точек протяжённого резистора.

Напряжение между регулируемой точкой и одной из оставшихся (концов резистора) определяется сопротивлением между ними. Если соединены только две точки, тогда у нас получится переменный резистор, или реостат.

На фото – потенциометр с цилиндрической поворотной ручкой. Круглая пластиковая ручка громкости на вашей звуковой системе прячет один из таких потенциометров. Обратите внимание на три контакта, из которых средний соединён с переменной точкой. На фото изображён новый потенциометр. А вот статья о том, как я использовал такое устройство на усилителе, сделанном из банки из-под арахисового масла.

Как меняется сопротивление потенциометра

У потенциометров может быть линейный или логарифмический диапазон сопротивления. Линейный означает, что при повороте ручки сопротивление меняется линейно. Если повернуть её на четверть, сопротивление изменится на четверть.

Но если так будет с ручкой громкости, нашим ушам покажется, что громкость растёт слишком быстро; так происходит из-за особенностей восприятия звуков мозгом. Поэтому для ручки громкости лучше использовать потенциометр, чьё сопротивление меняется логарифмически. На графике показано, как меняется громкость при повороте ручки, как для линейного, так и для логарифмического потенциометра. Некоторые потенциометры обеспечивают лишь псевдо-логарифмический рост, и они дешевле тех, что дают настоящий логарифм. Они состоят из двух линейных частей, встречающихся на 50% поворота. Их работа также отражена на графике.

Логарифмическое поведение достигается изменением формы резистивного элемента – его ширина меняется по всей длине. Поэтому потенциометры часто делят на линейно сужающиеся и логарифмически сужающиеся.

Ещё одна разновидность потенциометра – подстроечное сопротивление, или триммер. Они меньше размером, и используются на электронных платах. Подстраиваются одни обычно один раз, или очень редко – только для калибровки схемы.

Триммеры

Эквалайзер

Не все потенциометры работают с вращением. Они могут быть сделаны и в форме ползунов, как на фото с эквалайзером. Такие ползуны подвержены попаданию грязи, нарушающей их работу – именно такая проблема появилась у клавиатуры на фото (это моя клавиатура, и её ползуны действительно трудно передвигать).

Реостат

Как я уже упомянул, при подсоединении только двух контактов потенциометр часто называют реостатом. Реостаты обычно используются для больших токов, и, конечно же, не только для регулировки громкости.

Чтобы работать с большими токами, они обычно делаются при помощи провода, намотанного на изолированный сердечник, по которому ходит скользящий контакт. Вспомним символ потенциометра, у которого использовано три контакта. Поскольку здесь мы подключаем два контакта, мы используем другой символ; сопротивление со стрелочкой (не подсоединённой) поперёк. На изображении ниже вы можете видеть два варианта этого символа – по стандартам IEEE и IEC.

Мембранный потенциометр

Мембранный потенциометр состоит из гибкой диэлектрической, часто прозрачной мембраны с присоединённой снизу полоской сопротивления.

Ниже её находится основание, на поверхности которого нанесена токопроводящая дорожка. Когда палец, или другой объект прикасается к мембране, полоска устанавливает контакт с дорожкой. В результате на контактах полоски появляется напряжение. Оно зависит от того, в каком месте полоска соприкоснулась с дорожкой. Схема тут та же, что и самая первая схема на странице для потенциометра.

Сопротивление мембранного потенциометра SoftPot с сайта Sparkfun меняется линейно от 100 Ом до 10 кОм с номинальной мощностью в 1 Вт.

В случае, когда контакт не постоянен (например, он возникает только при нажатии пальцем), в схеме необходим подтягивающий резистор (к примеру, 100 кОм). Но у некоторых мембранных потенциометров есть магнит или скользящий контакт, всегда давящий на мембрану и поддерживающий постоянный контакт.

Резистивный сенсорный экран

Резистивный сенсорный экран похож на мембранный потенциометр, только резистивный материал есть на обоих его слоях, причём материал прозрачный. Передняя мембрана гибкая и также прозрачная, так что палец или стилус может надавить на неё и создать контакт. Технология использовалась в некоторых дешёвых карманных компьютерах или детских игрушках. Она всё ещё применяется, но революция смартфонов произошла благодаря ёмкостным экранам, не требующим гибкой мембраны.

Для 4-проводного резистивного сенсорного экрана напряжение подаётся на верхний слой, а результат считывается с нижнего, и таким образом считывается координата X. Затем всё происходит наоборот и получается координата Y. Всё это происходит за миллисекунды, и опрос экрана проводится непрерывно.

Все подсчёты ведутся вспомогательным контроллером. Резистивные экраны не такие отзывчивые, как ёмкостные, и для высокой точности обычно требуется стилус. Используются в очень дешёвых смартфонах.

Датчик давления

Датчики давления состоят из токопроводящего полимера, в котором есть проводящие и непроводящие частицы. Он расположен между двумя проводниками, переплетёнными, но не соединёнными. Прижимание полимера к проводникам создаёт контакт. Увеличение силы или площади нажатия увеличивает проводимость и уменьшает сопротивление. Без нажатия сопротивление конструкции может быть более 1 МОм, а точность обычно составляет около 10%. Этого достаточно для использования в музыкальных инструментах, протезах, датчиках наличия человека в машине и портативной электроники.

Гибкие и растяжимые датчики

Гибкий датчик – это резистивный материал, например, углерод, нанесённый на гибкую мембрану. При изгибании датчика материал растягивается и сопротивление увеличивается пропорционально радиусу изгиба. Судя по одной из спецификаций, сопротивление плоского датчика в 10 кОм может удваиваться при сгибании его на 180 градусов, когда оба конца соединяются. Распространённый пример – пальцы в игровых перчатках, такие, как в контроллере Nintendo Power Glove (в одном из проектов его хакнули для управления квадрокоптером). Сгибание пальцев приводит к изменению сопротивления, показывающему степень сгиба.

Датчик растяжения работает по тому же принципу, только его сопротивление увеличивается при растяжении. Резиновый шнур с углеродом выглядит, как шнур для банджи. Судя по одному примеру с Adafruit, 6-дюймовый шнурок сопротивлением 2,1 кОм при растяжении до 10″ меняет сопротивление до 3,5 кОм. Ещё один пример – проводящая нить из стальных волокон, смешанных с полиэстером, а ещё бывают датчики в виде резинок или ремней.