Potenciometr - Potentiometer
 Typický jednootáčkový potenciometr
| |
| Typ | Pasivní |
|---|---|
| Elektronický symbol | |
 (IEC Standard)  (ANSI Standard) | |
Potenciometr je tří- terminál odpor s posuvným nebo rotující kontaktu, který tvoří nastavitelný děliče napětí . Pokud jsou použity pouze dvě svorky, jeden konec a stěrač, funguje jako proměnný rezistor nebo reostat .
Měřicí přístroj zvaný potenciometr je v podstatě dělič napětí používaný k měření elektrického potenciálu (napětí); komponenta je implementací stejného principu, odtud název.
Potenciometry se běžně používají k ovládání elektrických zařízení, jako jsou ovladače hlasitosti na audio zařízení. Potenciometry ovládané mechanismem lze použít jako snímače polohy , například v joysticku . Potenciometry se zřídka používají k přímému ovládání významného výkonu (více než watt ), protože výkon rozptýlený v potenciometru by byl srovnatelný s výkonem v řízené zátěži.
Nomenklatura
V elektronickém průmyslu existuje řada termínů používaných k popisu určitých typů potenciometrů:
- posuvný hrnec nebo posuvný hrnec : potenciometr, který se nastavuje posunutím stěrače doleva nebo doprava (nebo nahoru a dolů, v závislosti na instalaci), obvykle prstem nebo palcem
- hrnec na palec nebo hrnec na kolečko : malý otočný potenciometr, který má být zřídka nastavován pomocí malého kolečka
- trimpot nebo trimovací potenciometr : potenciometr trimru obvykle určený k jednorázovému nebo občasnému nastavení pro „jemné doladění“ elektrického signálu
Konstrukce
Potenciometry se skládají z odporového prvku , posuvného kontaktu (stěrače), který se pohybuje podél prvku, vytváření dobrého elektrického kontaktu s jednou jeho částí, elektrických svorek na každém konci prvku, mechanismu, který pohybuje stěračem z jednoho konce na druhý a pouzdro obsahující prvek a stěrač.
Mnoho levných potenciometrů je konstruováno s odporovým prvkem (B na výřezu) vytvarovaným do kruhového oblouku, který je obvykle o něco menší než celá otáčka, a stíračem (C), který při otáčení klouže po tomto prvku a vytváří elektrický kontakt. Odporový prvek může být plochý nebo šikmý. Každý konec odporového prvku je připojen ke svorce (E, G) na pouzdru. Stěrač je připojen ke třetí svorce (F), obvykle mezi dvěma dalšími. Na panelových potenciometrech je stěrač obvykle středovou svorkou tří. U jednootáčkových potenciometrů se tento stěrač obvykle pohybuje kolem jedné otáčky kolem kontaktu. Jediným bodem vniknutí kontaminace je úzký prostor mezi hřídelí a pouzdrem, ve kterém se otáčí.
Dalším typem je lineární posuvný potenciometr, který má stěrač, který se místo otáčení posouvá podél lineárního prvku. Znečištění může potenciálně proniknout kamkoli podél štěrbiny, do které se posuvník pohybuje, což ztěžuje efektivní utěsnění a ohrožuje dlouhodobou spolehlivost. Výhodou posuvného potenciometru je to, že poloha posuvníku poskytuje vizuální indikaci jeho nastavení. Zatímco nastavení otočného potenciometru lze vidět podle polohy značky na knoflíku, řada posuvníků může poskytnout vizuální dojem z nastavení jako v grafickém ekvalizéru nebo faderech na mixážním pultu .
Odporový prvek levných potenciometrů je často vyroben z grafitu . Mezi další použité materiály patří odporový drát, uhlíkové částice v plastu a směs keramiky a kovu zvaná cermet . Vodivé potenciometry dráhy používají kromě uhlíku, který poskytuje vodivé vlastnosti, vodivé polymerní rezistorové pasty, které obsahují odolné pryskyřice a polymery, rozpouštědla a mazivo.
Víceotáčkové potenciometry se také ovládají otáčením hřídele, ale spíše o několik otáček než o méně než o celou otáčku. Některé víceotáčkové potenciometry mají lineární odporový prvek s posuvným kontaktem pohybovaným vodicím šroubem; jiné mají šroubovicový odporový prvek a stěrač, který se otáčí o 10, 20 nebo více úplných otáček a pohybuje se podél šroubovice, jak se otáčí. Víceotáčkové potenciometry, přístupné i přednastavené, umožňují jemnější úpravy; otáčení o stejný úhel mění nastavení o desetinu stejně jako u jednoduchého otočného potenciometru.
Potenciometr řetězec je víceotáčkový potenciometr provozuje připojeného cívku drátu otáčení proti pružině, což mu umožňuje převést lineární polohy na proměnný odpor.
Uživatelsky přístupné otočné potenciometry mohou být vybaveny spínačem, který pracuje obvykle v krajním směru otáčení proti směru hodinových ručiček. Předtím, než se digitální elektronika stala normou, byla taková součást použita k tomu, aby bylo možné zapnout rozhlasové a televizní přijímače a další zařízení na minimální hlasitost se slyšitelným cvaknutím, poté se hlasitost zvýšila otočením knoflíku. Více odporových prvků lze spojit společně s jejich posuvnými kontakty na stejné hřídeli, například ve stereofonních zvukových zesilovačích pro ovládání hlasitosti. V jiných aplikacích, jako jsou stmívače domácího osvětlení , je normální způsob použití nejlépe uspokojen, pokud potenciometr zůstane nastaven ve své aktuální poloze, takže spínač je ovládán tlačením, střídavě zapínáním a vypínáním, axiálním stisknutím knoflíku.
Jiné jsou součástí zařízení a jsou určeny k tomu, aby byly upraveny tak, aby kalibrovaly zařízení během výroby nebo opravy, a aby se jich nedotýkalo jinak. Obvykle jsou fyzicky mnohem menší než potenciometry přístupné uživateli a může být nutné je ovládat šroubovákem, nikoli knoflíkem. Obvykle se jim říká „přednastavené potenciometry“ nebo „trimovací hrnce“. Některá přednastavení jsou přístupná malým šroubovákem prostrčeným otvorem v pouzdře, který umožňuje servis bez demontáže.
Vztah odpor - poloha: "zúžení"
Vztah mezi polohou jezdce a odporem, známý jako „kužel“ nebo „zákon“, je řízen výrobcem. V zásadě je možný jakýkoli vztah, ale pro většinu účelů postačují lineární nebo logaritmické (neboli „audio taper“) potenciometry.
K identifikaci použitého kužele lze použít písmenný kód, definice písmenového kódu však nejsou standardizovány. Potenciometry vyrobené v Asii a USA jsou obvykle označeny „A“ pro logaritmické zúžení nebo „B“ pro lineární zúžení; „C“ pro zřídka viditelný reverzní logaritmický úběh. Jiné, zejména evropské, mohou být označeny „A“ pro lineární zúžení, „C“ nebo „B“ pro logaritmické zúžení nebo „F“ pro reverzní logaritmické zúžení. Použitý kód se také u různých výrobců liší. Když je procento odkazováno s nelineárním zúžením, vztahuje se to k hodnotě odporu ve středu otáčení hřídele. Zúžení 10% log by proto měřilo 10% celkového odporu ve středu otáčení; tj. 10% zúžení protokolu na potenciometru 10 kOhm by ve středu poskytlo 1 kOhm. Čím vyšší je procento, tím strmější je křivka protokolu.
Lineární kónický potenciometr
Lineární zúžení potenciometr ( lineární popisuje elektrické vlastnosti zařízení, ne geometrie odporového prvku) má odporový prvek s konstantním průřezem, což vede k zařízení, kde odpor mezi kontaktem (stěrače) a jednoho koncového terminálu úměrné vzdálenosti mezi nimi. Potenciometry s lineárním kuželem se používají, když poměr rozdělení potenciometru musí být úměrný úhlu otáčení hřídele (nebo poloze posuvníku), například ovládací prvky používané pro nastavení centrování displeje na analogovém katodovém osciloskopu . Přesné potenciometry mají přesný vztah mezi odporem a polohou jezdce.
Logaritmický potenciometr
Potenciometr logaritmická kužel je potenciometr, který má zaujatost zabudovaný do odporového prvku. V zásadě to znamená, že středová poloha potenciometru není polovinou celkové hodnoty potenciometru. Odporový prvek je navržen tak, aby sledoval logaritmický úběh, alias matematický exponent nebo „čtvercový“ profil. Logaritmický kónický potenciometr je konstruován s odporovým prvkem, který se buď „zužuje“ z jednoho konce na druhý, nebo je vyroben z materiálu, jehož měrný odpor se od jednoho konce k druhému liší. Výsledkem je zařízení, kde je výstupní napětí logaritmickou funkcí polohy posuvníku.
Většina (levnějších) „log“ potenciometrů není přesně logaritmická, ale k přiblížení logaritmického zákona používá dvě oblasti s různým odporem (ale s konstantním odporem). Tyto dvě odporové stopy se překrývají přibližně na 50% rotace potenciometru; to dává postupné logaritmické zúžení. Logaritmický potenciometr lze také (ne velmi přesně) simulovat lineárním a externím odporem. Skutečné logaritmické potenciometry jsou podstatně dražší.
Logaritmické kónické potenciometry se často používají pro hlasitost nebo úroveň signálu v audio systémech, protože lidské vnímání hlasitosti zvuku je podle Weber – Fechnerova zákona logaritmické .
Reostat
Nejběžnějším způsobem, jak nepřetržitě měnit odpor v obvodu, je použití reostatu . V zásadě se používá k úpravě velikosti proudu v obvodu změnou délky. Slovo reostat bylo vytvořeno kolem roku 1845 sirem Charlesem Wheatstoneem , z řečtiny ῥέος rheos, což znamená „proud“, a - στάτης - uvádí (od ἱστάναι histanai , „nastavit, způsobit stát“), což znamená „setr, regulační zařízení“, což je dvousvorkový proměnný rezistor. Termín „reostat“ je zastaralý a nahrazuje jej obecný termín „potenciometr“. Pro aplikace s nízkým výkonem (méně než přibližně 1 watt) se často používá potenciometr se třemi svorkami, přičemž jedna svorka je nepřipojená nebo připojená ke stěrači.
Pokud musí být reostat dimenzován na vyšší výkon (více než přibližně 1 watt), může být postaven s odporovým drátem navinutým kolem půlkruhového izolátoru, přičemž stěrač může klouzat z jedné otáčky drátu na druhou. Někdy je reostat vyroben z odporového drátu navinutého na tepelně odolném válci, přičemž jezdec je vyroben z řady kovových prstů, které lehce přilnou k malé části závitů odporového drátu. „Prsty“ lze pohybovat podél cívky odporového drátu pomocí posuvného knoflíku, čímž se mění bod „klepnutí“. Drátové reostaty vyrobené s výkonem do několika tisíc wattů se používají v aplikacích, jako jsou stejnosměrné motorové pohony, ovládací prvky elektrického svařování nebo v ovládacích prvcích generátorů. Hodnocení reostatu je dáno plnou hodnotou odporu a přípustný ztrátový výkon je úměrný zlomku celkového odporu zařízení v obvodu. Uhlíkové hromádkové reostaty se používají jako zátěžové banky pro testování automobilových baterií a napájecích zdrojů.
Charles Wheatstoneův 1843 reostat s kovovým a dřevěným válcem
Charles Wheatstoneův 1843 reostat s pohyblivým vousem
Elektronický symbol pro reostat
Elektronický symbol pro přednastavený reostat
Vysoce výkonný drátový potenciometr
Digitální potenciometr
Digitální potenciometr (často nazývaný digipot) je elektronická součástka, která napodobuje funkce analogových potenciometrů. Prostřednictvím digitálních vstupních signálů lze upravit odpor mezi dvěma svorkami, stejně jako u analogového potenciometru. Existují dva hlavní funkční typy: volatilní, které ztratí nastavenou polohu, pokud je odpojeno napájení, a jsou obvykle navrženy tak, aby se inicializovaly na minimální pozici, a energeticky nezávislé, které si zachovají svou nastavenou polohu pomocí mechanismu úložiště podobného flash paměti nebo EEPROM .
Použití digipotu je mnohem složitější než použití jednoduchého mechanického potenciometru a je třeba jej dodržovat mnoha omezeními; přesto jsou široce používány, často pro tovární seřizování a kalibraci zařízení, zejména tam, kde jsou omezení mechanických potenciometrů problematická. Digipot je obecně imunní vůči účinkům mírných dlouhodobých mechanických vibrací nebo znečištění prostředí, ve stejném rozsahu jako jiná polovodičová zařízení, a lze jej elektronicky zabezpečit proti neoprávněnému zásahu ochranou přístupu k jeho programovacím vstupům různými prostředky.
V zařízeních, která mají mikroprocesor , FPGA nebo jinou funkční logiku, která dokáže ukládat nastavení a znovu je načítat do „potenciometru“ pokaždé, když je zařízení zapnuto, lze místo digipotu použít násobící DAC , což může nabídnout vyšší nastavení rozlišení, menší drift s teplotou a větší provozní flexibilita.
Membránové potenciometry
Membránový potenciometr používá vodivou membránu, která je deformována posuvným prvkem, aby kontaktovala dělič napětí rezistoru. Linearita se může pohybovat od 0,50% do 5% v závislosti na materiálu, designu a výrobním procesu. Přesnost opakování je obvykle mezi 0,1 mm a 1,0 mm s teoreticky nekonečným rozlišením. Životnost těchto typů potenciometrů je obvykle 1 milion až 20 milionů cyklů v závislosti na použitých materiálech během výroby a způsobu ovládání; K dispozici jsou kontaktní a bezkontaktní (magnetické) metody (snímání polohy). K dispozici je mnoho různých materiálových variací, jako je PET , FR4 a Kapton. Výrobci membránových potenciometrů nabízejí lineární, rotační a aplikačně specifické varianty. Lineární verze mohou mít délku od 9 mm do 1000 mm a rotační verze mají průměr od 20 do 450 mm, přičemž každá má výšku 0,5 mm. Pro snímání polohy lze použít membránové potenciometry.
U zařízení s dotykovou obrazovkou využívajících odporovou technologii poskytuje dvourozměrný membránový potenciometr souřadnice xay. Horní vrstva je tenké sklo rozmístěné blízko sousední vnitřní vrstvy. Spodní strana vrchní vrstvy má transparentní vodivý povlak; povrch vrstvy pod ním má průhledný odporový povlak. Prst nebo stylus deformují sklo, aby se dostalo do kontaktu s podkladovou vrstvou. Okraje odporové vrstvy mají vodivé kontakty. Lokalizace kontaktního bodu se provádí přivedením napětí na opačné okraje, přičemž ostatní dva okraje jsou dočasně nepřipojené. Napětí horní vrstvy poskytuje jednu souřadnici. Odpojení těchto dvou okrajů a přivedení napětí na další dva, dříve nepřipojené, poskytuje druhou souřadnici. Rychlé střídání mezi dvojicemi hran poskytuje časté aktualizace polohy. Převodník analogového signálu na digitální zajišťuje výstupní data.
Výhodou těchto senzorů je, že je potřeba pouze pět připojení k senzoru a související elektronika je poměrně jednoduchá. Dalším důvodem je, že jakýkoli materiál, který stlačuje horní vrstvu na malé ploše, funguje dobře. Nevýhodou je, že k navázání kontaktu musí být vyvinuta dostatečná síla. Dalším důvodem je, že snímač vyžaduje příležitostnou kalibraci, aby se dotykové umístění přizpůsobilo podkladovému displeji. (Kapacitní snímače nevyžadují žádnou kalibraci ani kontaktní sílu, pouze blízkost prstu nebo jiného vodivého předmětu. Jsou však podstatně složitější.)
Aplikace
Potenciometry se zřídka používají k přímé kontrole významného množství energie (více než watt nebo tak). Místo toho se používají k nastavení úrovně analogových signálů (například ovládání hlasitosti audio zařízení ) a jako řídicí vstupy pro elektronické obvody. Například stmívač světla používá potenciometr k ovládání spínání TRIAC, a tak nepřímo k ovládání jasu lamp.
Přednastavené potenciometry jsou široce používány v celé elektronice všude tam, kde je třeba provést úpravy během výroby nebo servisu.
Potenciometry ovládané uživatelem jsou široce používány jako uživatelské ovládací prvky a mohou ovládat velmi širokou škálu funkcí zařízení. Rozšířené používání potenciometrů ve spotřební elektronice klesl v roce 1990, s rotačními inkrementálních snímačů , nahoru / dolu tlačítek a jiných digitálních ovládacích prvků nyní běžnější. Zůstávají však v mnoha aplikacích, například v ovládání hlasitosti a jako snímače polohy.
Ovládání zvuku
Potenciometry s nízkou spotřebou energie, posuvné i rotační, se používají k ovládání zvukového zařízení, změně hlasitosti, útlumu frekvence a dalších charakteristik zvukových signálů.
'Log pot', to znamená, že potenciometr má odpor, zúžení nebo "křivku" (nebo zákon) logaritmické (log) formy, se používá jako ovládání hlasitosti v audio výkonových zesilovačích , kde se také nazývá „audio taper pot“, protože amplitudová odezva lidského ucha je přibližně logaritmická. Zajišťuje, že například na ovládání hlasitosti označeném 0 až 10 bude nastavení 5 zvuků subjektivně o polovinu hlasitější než nastavení 10. K dispozici je také anti-log pot nebo reverzní audio zúžení, které je jednoduše opakem logaritmické potenciometr. Téměř vždy se používá v konfiguraci s logem s logaritmickým potenciometrem, například v ovládání vyvážení zvuku.
Potenciometry používané v kombinaci s filtračními sítěmi fungují jako ovladače tónů nebo ekvalizéry .
V zvukových systémech se slovo lineární někdy používá matoucím způsobem k popisu posuvných potenciometrů kvůli přímkové povaze fyzického posuvného pohybu. Slovo lineární, když je aplikováno na potenciometr bez ohledu na to, zda jde o posuvný nebo rotační typ, popisuje lineární vztah polohy hrnce v porovnání s naměřenou hodnotou čepu hrnce (stírač nebo elektrický výstup).
Televize
Potenciometry se dříve používaly k ovládání jasu, kontrastu a barevné odezvy obrazu. Potenciometr se často používal k nastavení „vertikálního zadržení“, které ovlivnilo synchronizaci mezi interním zametacím obvodem přijímače (někdy multivibrátorem ) a přijímaným obrazovým signálem, spolu s dalšími věcmi, jako je offset audio-video nosiče, ladicí frekvence (pro push -tlačítkové sady) a tak dále. Pomáhá také při frekvenční modulaci vln.
Kontrola pohybu
Potenciometry lze použít jako zpětnovazební zařízení polohy k vytvoření řízení v uzavřené smyčce , například v servomechanismu . Tato metoda řízení pohybu je nejjednodušší metodou měření úhlu nebo posunutí.
Převodníky
Potenciometry jsou také velmi široce používány jako součást snímačů posunutí kvůli jednoduchosti konstrukce a protože mohou poskytovat velký výstupní signál.
Výpočet
V analogových počítačích se vysoce přesné potenciometry používají k škálování průběžných výsledků požadovanými konstantními faktory nebo k nastavení počátečních podmínek pro výpočet. Jako generátor funkcí lze použít motorem poháněný potenciometr, který používá nelineární odporovou kartu k dodávání aproximací trigonometrických funkcí. Například rotace hřídele může představovat úhel a poměr dělení napětí může být úměrný kosinu úhlu.
Teorie provozu
Potenciometr lze použít jako dělič napětí k získání ručně nastavitelného výstupního napětí na posuvníku (stěrači) z pevného vstupního napětí přivedeného přes dva konce potenciometru. Toto je jejich nejběžnější použití.
Napětí napříč R L lze vypočítat podle:
Pokud je R L ve srovnání s ostatními odpory (jako je vstup do operačního zesilovače ) velký , lze výstupní napětí aproximovat jednodušší rovnicí:
Jako příklad předpokládejme , , , a
Vzhledem k tomu, že odpor zátěže je ve srovnání s ostatními odpory velký, bude výstupní napětí V L přibližně:
Vzhledem k odporu zátěže, nicméně, bude ve skutečnosti o něco nižší: ≈ 6,623 V .
Jednou z výhod děliče potenciálu ve srovnání s variabilním rezistorem zapojeným do série je, že zatímco variabilní rezistory mají maximální odpor, při kterém bude vždy proudit nějaký proud , děliče jsou schopné měnit výstupní napětí od maxima ( V S ) do uzemnění (nulové volty), když se stěrač pohybuje z jednoho konce potenciometru na druhý. Kontaktní odpor však vždy existuje .
Kromě toho odpor zátěže často není znám, a proto by prosté umístění proměnného odporu do série se zátěží mohlo mít v závislosti na zátěži zanedbatelný nebo nadměrný účinek.
Viz také
Reference
Další čtení
- Příručka potenciometru ; 1ed; Carl Todd; McGraw-Hill; 300 stran; 1975; ISBN 978-0070066908 . (stažení)