Potencjometr to element elektroniczny, który znajdzie zastosowanie w wielu urządzeniach, w tym sprzętach codziennego użytku (np. audio). Umożliwia regulację różnych parametrów (np. napięcia). Większość z nas miała z nim do czynienia, choć może niekoniecznie zdaje sobie z tego sprawę. Z tego artykułu dowiesz się, czym jest potencjometr, z czego się składa, jaka jest jego zasada działania, wykorzystanie oraz jakie są jego rodzaje.
Charakterystyka potencjometru
Potencjometr to dzielnik napięcia (inaczej rezystor zmienny, nastawny), którego działanie opiera się na zjawisku oporu elektrycznego. Posiada 3 końcówki (nóżki oraz suwak) do pomiaru różnic potencjałów przez ręczną zmianę rezystancji. Napięcie pobierane jest przez ogniwo lub inne źródła zasilania. Wykorzystywana jest metoda porównawcza – znacznie dokładniejsza od metody odchylania. Potencjometr oznaczamy za pomocą wartości oporu Om (Ω).
Do wnętrza potencjometru można się dostać za pomocą ruchomego suwaka, który styka się ze ścieżką oporową (stworzoną z materiału rezystancyjnego – węgla, przewodzącego plastiku, cementu lub spiralnie zwiniętego drutu oporowego).
Mówiąc o charakterystyce potencjometrów, trzeba wspomnieć o ich głównych cechach, tj. o możliwości regulacji różnych parametrów (potencjału, napięcia elektrycznego, przepływu prądu, ustawienia głośności dźwięku itp.), w sposób mechaniczny, tj. przesuwając dany element w określonym kierunku. Co go wyróżnia?
- Brak zakłóceń przez rezystancję źródła – prąd przepływa przez potencjometr w momencie, gdy jest zrównoważony.
- Duża dokładność – potencjometr mierzy punkt zerowy albo równowagi, który nie wymaga zasilenia do pomiaru.
Używa się go najczęściej tam, gdzie wymagana jest duża dokładność albo nie ma przepływu prądu przez testowane źródło.
Potencjometr jako dzielnik
R i R1 to rezystory, które możemy potraktować jako odcinek ścieżki oporowej. Wówczas suma ich rezystancji będzie stała. Przesuwając po tej ścieżce metalowy element (stykający się z nią w 1 miejscu), uzyskamy efekt zmiennego stosunku rezystancji R do R1, a ich suma będzie nadal stała.
Nóżki potencjometru po zewnętrznej stronie (punkt 1 i 3) prowadzą do ścieżki oporowej, a środkowa nóżka (punkt 2) prowadzi do ruchomego elementu – ślizgacza. Jeżeli przekręcimy go w lewo, to R zmaleje, R1 wzrośnie. Przy ruchu ślizgacza w prawo, rezystancja R1 spadnie, a R wzrośnie.
Potencjometr jako regulowany rezystor
W tym celu trzeba się podłączyć do jednego ze skrajnych zacisków i środkowego. Zakres rezystancji wynosi od 0Ω do maksymalnej rezystancji ścieżki oporowej (znajdziemy ją na obudowie elementu).
Niektóre osoby łączą niewykorzystaną skrajną nóżkę ze środkową, celem zabezpieczenia niekontaktującego ślizgacza przed zrobieniem zupełnego rozwarcia w obwodzie. Nie jest to jednak obowiązkowe.
Potencjometr jako rezystor, regulowany rezystor i regulowany dzielnik napięcia
Jeśli wykorzystuje się jedynie skrajne oba wyprowadzenia potencjometru, wtedy otrzymujemy zwykły rezystor o stałej wartości. Gdy używamy suwak i jedną ze skrajnych nóżek, wówczas otrzymujemy regulowany rezystor. Natomiast wykorzystując wszystkie trzy nóżki – wtedy zyskujemy regulowany dzielnik napięcia, na który składają się dwa zmienne rezystory.
Potencjometr – budowa i działanie
Składa się on z 2 części: przesuwnej i nie przesuwnej. Styk ślizgowy nazywa się potocznie wycieraczką lub ślizgaczem. Styki poruszają się w sposób postępowy lub obrotowy.
Potencjometr posiada trzy zaciski (nóżki), z czego dwa są podłączone do rezystora, a trzeci – do wycieraczki, która jest ruchoma przewodem. Korpus wykonany jest z materiału rezystancyjnego, na który nawinięty jest drut. Ponadto, szczotka w rezystorze połączona jest z 2 elementami (zależnie od potencjometru):
- ze stykiem środkowym (elektrycznie),
- z gałką, suwakiem lub śrubą (mechanicznie).
Szczotka przemieszcza się po ścieżce oporowej i zmienia tym samym rezystancję – od 0 do wartości maksymalnej oraz odwrotnie.
Ścieżka oporowa tworzona jest ze:
- zwojów drutu oporowego lub z cementu – zapewnia to wysoką trwałość, niezawodność i stabilność, lub
- tworzyw sztucznych i węgla – cechuje je dobra jakość i niska cena.
Najważniejsze parametry opisujące potencjometr to:
- rezystancja ścieżki oporowej [Ω], która wynosi od kilku omów do kilku megaomów,
- charakterystyka zmian rezystancji:
- liniowa (rezystancje R1 i R2 zmieniają się liniowo z ruchem ślizgacza),
- logarytmiczna (zmiana rezystancji jest logarytmiczna), używane głównie do regulacji głośności.
Jak to działa?
Przesunięcie ślizgacza (za pomocą gałki lub wkrętaka) spowoduje zmianę stosunku wartości rezystancji R względem wartości rezystancji R1, a więc zmianę napięcia. W związku z tym, im wyższa wartość R1, tym różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym będzie mniejsza.
Istotny jest też fakt, że różne potencjometry służą do pracy z określonymi wartościami napięcia oraz natężenia prądu elektrycznego. Oznacza to, że przekroczenie tych wartości może spowodować nieodwracalne uszkodzenie elementów.
W związku z tym, że potencjometr posiada możliwość regulacji napięcia, wykorzystuje się go w urządzeniach, które mają funkcję regulacji przepływu prądu, regulacji głośności, natężenia światła, prędkości obrotowej silnika (tj. m.in. mikser, suszarka do włosów, głośnik).
Rodzaje potencjometrów
Potencjometry różnią się między sobą konstrukcją, sposobem obsługi, charakterystyką zmiany rezystancji i innymi parametrami warunkującymi ich cechy (np. zastosowanie, precyzyjność, wytrzymałość). Najważniejsze z nich to moc znamieniowa i napięcie graniczne.
Ze względu na budowę
- Potencjometr analogowy
Posiada ścieżkę oporową. Zmiana położenia ślizgacza skutkuje zmianą stosunku rezystancji pomiędzy opornikami, a to prowadzi do zmiany wartości napięcia wyjściowego. Potencjometry te wyróżnia płynna regulacja proporcji między dwiema wartościami oporu, co umożliwia regulowanie napięcia w dowolny sposób (zależnie od zakresu, jaki dany element umożliwia). Wadą mogą być zakłócenia i trzeszczenie podczas zmian ustawień potencjometru. Dotyczy to jednak głównie tańszych modeli.
2. Potencjometr cyfrowy
Posiada szereg rezystorów oraz przełączników CMOS, logiczny układ sterujący oraz elektroniczny licznik. Jeśli się odpowiednio zaprogramuje układ sterujący, wówczas możemy dostosować uwzględniane wartości rezystancji i regulować napięcie wyjściowe.
Ogółem jest to moduł elektroniczny, który umożliwia zmianę rezystancji (oporu) za pomocą sygnału elektrycznego (np. każde naciśnięcie przycisku lekko zwiększa opór modułu).
Zaletą potencjometru cyfrowego jest brak szumów czy trzasków, które występują niekiedy w wersjach analogowych. Minusem są jednak ograniczone możliwości zmiany nastawy.
Ze względu na sposób obsługi
Wpływa on znacząco na wygodę użytkowania, dlatego warto na to zwrócić uwagę wybierając potencjometr.
- Potencjometr suwakowy
W nim ścieżka oporowa to linia prosta, po której ślizgacz przesuwa się pionowo lub poziomo. Potencjometr ten jednak zajmuje więcej miejsca niż obrotowy, więc używa się go wszędzie tam, gdzie jest na to miejsce, np. w sprzęcie audio, ściemniaczach światła.
2. Potencjometr obrotowy (osiowy)
Występuje głównie w formie gałki (pokrętła) ze wskaźnikiem (przedziałką) do właściwego ustawienia. Są one stosunkowo niewielkie, więc można je wykorzystać na ograniczonych przestrzeniach, np. w urządzeniach audio do regulacji głośności.
Wyróżniamy także potencjometry wieloobrotowe, w których gałka może wykonywać więcej obrotów, a więc dokładniejszą regulację.
Ze względu na charakterystykę zmiany rezystancji
- Potencjometr liniowy (potocznie też suwakowy)
Oznaczany jest literą A. W nim wzrost rezystancji jest proporcjonalny do zmiany położenia ślizgacza, tzn. opór zmienia się z przesunięciem suwaka po linii prostej. Przykładem takiego urządzenia jest potencjometr membranowy, kosztowne czujniki położenia, czy suwaki do regulacji dźwięku w sprzęcie audio.
2. Potencjometr logarytmiczny
W tym przypadku następuje szybki wzrost rezystancji (oporu), a następnie jest on coraz wolniejszy. Oznacza się go zazwyczaj literą B. Wykorzystuje się go do sterowania głośnością w sprzęcie audio.
Potencjometr liniowy a logarytmiczny?
W przeciwieństwie do drugiego, w potencjometrze liniowym rezystancja wzrasta proporcjonalnie do zmiany położenia ślizgacza.
3. Potencjometr wykładniczy
Jest on odwrotnością wcześniejszego rodzaju, tzn. rezystancja najpierw rośnie powoli, a później coraz szybciej. Oznacza się go także literą B.
Ze względu na inne właściwości i funkcje
- Potencjometr z wyłącznikiem
W jego przypadku na skrajnym końcu ścieżki oporowej jest przełącznik, który umożliwia całkowite odcięcie zasilania. Wykorzystuje się je często w radiach, gdzie całkowite wyciszenie urządzenia (do zera) powoduje jego wyłączenie.
2. Potencjometr montażowy (dostrojczy, trymer, PR-ka)
Zazwyczaj nie posiada obudowy i zewnętrznej osi, na której umieszcza się głównie gałkę do regulacji różnych ustawień. Wykorzystuje się go bardzo rzadko lub jednorazowo (np. podczas kalibracji sprzętu elektronicznego czy włączania go pierwszy raz). Często do regulacji potrzebne jest użycie śrubokrętu.
Potencjometry te na schematach oznacza się różnie, ale za pomocą skrótu PR.
Na rynku jest jednak dużo odmian i rodzajów potencjometrów montażowych. Można wyróżnić chociażby peerki wieloobrotowe, niewielkie potencjometry liniowe dostrojcze (helitrimy) oraz potencjometry montażowe produkcji chińskiej.
3. Potencjometr wieloobrotowy (precyzyjny, helipot)
Posiada ścieżkę oporową w formie linii śrubowej. Znajdzie zastosowanie tam, gdzie jest potrzeba precyzyjnego ustawienia danego parametru (np. w maszynach przemysłowych). Aby uniknąć tworzenia potencjometru o dużych rozmiarach, stosuje się przełączniki z możliwością wykonania do max. 10 obrotów.
4. Potencjometr sprzężony
Tworzy go zazwyczaj 2 lub więcej potencjometrów (połączonych równolegle), kontrolowanych za pomocą jednego elementu. Znajdzie zastosowanie np. w głośnikach stereo czy torach audio wielokanałowych.
5. Potencjometr z odczepem (lub z 2 odczepami)
Stosowany był szczególnie dawniej – do regulacji głośności w dobrym sprzęcie audio, Umożliwiał on realizację tzw. regulacji psofometrycznej, uwzględniającej właściwości ludzkiego słuchu i dostosowującej tym samym barwę dźwięku do głośności. W przypadku zastosowań specjalnych produkowano potencjometry z dużą liczbą odczepów.
Zastosowania potencjometrów
Zazwyczaj wykorzystywane są do regulacji głośności (w sprzęcie audio-wideo, radiobudzikach, radioodbiornikach) czy zasilaczach laboratoryjnych (regulacja napięcia wyjściowego).
Dawniej potencjometry były szerzej stosowane, chociażby do regulacji barwy tonu, jasności, nasycenia koloru, kontrastu, dostrojenia kanałów. Współcześnie wypierają je często regulatory elektroniczne, które wyróżnia możliwość obracania w prawo i lewo, bez końca. Dla porównania – standardowe potencjometry posiadają ogranicznik, kąt obrotu wynosi 270°.
Przykłady zastosowań potencjometrów:
- Sprzęt audio, instrumenty muzyczne: głośniki, wieże, wzmacniacze, instrumenty elektryczne, miksery, przystawki nagłaśniające.
- Ściemniacze do instalacji oświetleniowej: regulacja intensywności oświetlenia.
- Regulacja prędkości obrotowej silników elektrycznych: np. prędkość tramwaju.
Jak dobrać potencjometr?
Występują różne typy i warianty potencjometrów. Należy to wziąć pod uwagę, gdy zastanawiamy się jaki wybrać do własnego zastosowania i potrzeb. Im bardziej skomplikowane one są, tym też urządzenie musi być bardziej odporne i z lepszej jakości surowców.
Coraz częściej wersje mechaniczne są wypierane przez elektroniczne zamienniki. Nie sprawdzi się to jednak w przypadku elementów regulacyjnych na płytkach drukowanych. Najpopularniejsze są potencjometry cyfrowe, analogowe, suwakowe i obrotowe.