Jak działa potencjometr, jakie są jego rodzaje i do czego służy?

Potencjometry znajdziemy w wielu układach elektronicznych, zwłaszcza analogowych. Służą do regulacji różnych parametrów. Jak działają i jakie są ich rodzaje? Zapraszam do lektury!

Co to jest potencjometr?

Najprostsza definicja mówi, że potencjometr to regulowany rezystor, czyli taki, którego rezystancję możemy łatwo zmieniać w szerokim zakresie. To nie jest do końca prawda - potencjometru możemy użyć w ten sposób, ale jego możliwości są znacznie szersze.

Każdy potencjometr ma 3 nóżki. Rezystory zaś mają tylko 2, więc już na pierwszy rzut oka “coś tu nie gra”. I słusznie, ponieważ podstawowym zastosowaniem potencjometru jest dzielnik napięcia. To układ dwóch szeregowo połączonych rezystorów, które potrafią wytworzyć napięcie niższe od tego, które zasila dzielnik.

Dzielnik napięcia - szybkie przypomnienie

Napięcie zasilające dzielnik, czyli U_zas jest dzielone przez rezystory R1 i R2. Od stosunku ich rezystancji zależy wartość napięcia wyjściowego U_wyj. W tym układzie, manewrując rezystancjami obu rezystorów można uzyskać dowolną wartość napięcia U_wyj z zakresu od 0V do U_zas.

Wzór opisujący tę zależność jest dosyć prosty:

Istnieje element, który będzie zachowywał się jak “regulowany dzielnik”. W mianowniku mamy sumę obu rezystancji, co oznacza, że może to być wartość stała, a zmieniać się będzie stosunek R1 do R2. Brzmi skomplikowanie? Już objaśniam.

Potencjometr jako dzielnik

Jeżeli jako rezystory R1 i R2 weźmiemy odcinek ścieżki oporowej, to suma ich rezystancji będzie stała. Wystarczy przesuwać po niej metalowy element, który styka się z nią w jednym miejscu, aby uzyskać efekt zmiennego stosunku rezystancji R1 do R2 przy zachowaniu stałości ich sumy.

Skrajne wyprowadzenia potencjometru (1 i 3) to odczepy prowadzące do tej ścieżki, a środkowa nóżka (2) prowadzi do ruchomego elementu, zwanego najczęściej ślizgaczem. Jeżeli ślizgacz zostanie przekręcony w lewo, R1 zmaleje i R2 wzrośnie. Jeżeli poruszymy ślizgaczem w drugą stronę, czyli obracając oś potencjometru w prawo, uzyskamy spadek rezystancji R2 i jednoczesny wzrost wartości R1.

Symbol potencjometru ma dwie postaci. strzałka przekreśla element lub dotyka do niego.

Potencjometr jako regulowany rezystor

Aby użyć potencjometru jako regulowanego rezystora, wystarczy podłączyć się do jednego ze skrajnych zacisków oraz środkowego. Możliwy zakres rezystancji wynosi od 0Ω do maksymalnej rezystancji ścieżki oporowej, podanej na obudowie elementu.

Niektórzy łączą wtedy wolne skrajne wyprowadzenie ze środkowym, aby niekontaktujący chwilowo ślizgacz nie robił zupełnego rozwarcia w obwodzie. Nie jest to obowiązkowe w każdym przypadku, to tzw. dobra praktyka inżynierska.

Budowa potencjometru

Tak to wygląda w przypadku rzeczywistego potencjometru, a dokładniej - montażowego. Składa się z kilku elementów, ale najważniejsze to czarna ścieżka oporowa, przytwierdzona na stałe do korpusu oraz obrotowa główka z przymocowanym ślizgaczem.

Zazwyczaj pod ścieżką oporową jest jeszcze jeden element, najczęściej metalowy. Ma on kontakt zarówno ze środkowym wyprowadzeniem, jak i ślizgaczem, najczęściej przy pomocy dodatkowej wypustki na ślizgaczu. W ten sposób możemy obracać potencjometrem wielokrotnie bez obawy, że jakieś połączenie w nim zostanie urwane.

Oczywiście, te elementy - jak każdy inny podzespół - mają swoją wytrzymałość, ale uszkodzeniu najczęściej ulega ścieżka oporowa, która z powodu wytarcia od wielokrotnego przesuwania po niej ślizgaczem traci swoje właściwości. Potencjometr wtedy wprowadza do sygnału trzaski lub inne zakłócenia.

Tak wyglądają potencjometry przystosowane do regulacji przez użytkownika urządzenia, czyli montowane do obudowy. Na ich osi znajduje się wtedy gałka, która ułatwia złapanie ich osi palcami i obracanie jej.

Zastosowania potencjometrów

Te użyteczne elementy służą nam, przede wszystkim, do regulacji głośności. Od tej strony mogą je zobaczyć “zwykli” użytkownicy sprzętu audio-wideo, głównie w starszych sprzętach oraz w niedrogich radioodbiornikach czy radiobudzikach. Mają je również np. zasilacze laboratoryjne, w których potencjometrem ustala się napięcie wyjściowe.

W starszym sprzęcie potencjometrów było więcej. Odpowiadały za regulację nasycenia kolorów, kontrastu, jasności, barwy tonu, dostrojenie kanałów itd.

Obecnie coraz częściej są wypierane przez regulatory elektroniczne, w których wartość zadaje się tzw. enkoderem. Mają tę właściwość, że można je obracać bez końca zarówno w lewo, jak i w prawo. Dopuszczalny kąt obrotu typowego potencjometru wynosi 270°, na więcej nie pozwalają wbudowane w potencjometr ograniczniki, więc różnicę można zauważyć bez problemu.

Ale to nie oznacza, że potencjometrów dzisiaj już nie ma! Zeszły jednak “do podziemi” i częściej występują na płytkach drukowanych w postaci potencjometrów montażowych. Służą do wyregulowania jakiegoś parametru w układzie, który musi być dostosowywany indywidualnie do każdego egzemplarza lub rozrzuty produkcyjne między elementami nie pozwalają na użycie elementu o dokładnej wartości.

Rodzaje potencjometrów

Te elementy można pogrupować w kilku kategoriach. Poza wspomnianym już wyżej podziałem na potencjometry montażowe i montowane do ścianki obudowy (dostępne dla użytkownika), istnieje jeszcze kilka innych kryteriów podziału.

Charakterystyka

Jeżeli warstwa oporowa rozłożona jest równomiernie, potencjometr ma charakterystykę tzw. liniową, czyli obracanie osi o dany kąt daje proporcjonalną zmianę rezystancji. W ten sposób są wykonane wszystkie potencjometry montażowe oraz wiele potencjometrów montowanych do ścianki. W przypadku tych drugich, mają one literkę B w oznaczeniu (kiedyś A)

Do regulacji głośności zdecydowanie lepiej nadają się potencjometry o charakterystyce logarytmicznej. Zmiana rezystancji zachodzi według tej właśnie funkcji. Ma to związek z nieliniową, zbliżoną do logarytmicznej, charakterystyką czułości ludzkiego ucha. Noszą oznaczenie A (kiedyś B).

Jednoobrotowe/wieloobrotowe

Potencjometry jednoobrotowe były pokazane już wcześniej. Ich oś nie może wykonać całego pełnego obrotu, w zakresie 360°, lecz nieco mniej - mimo tego, noszą tę nazwę.

Jeżeli zależy nam na dokładniejszej regulacji, należy sięgnąć po potencjometry wieloobrotowe. W środku mają wbudowany gwintowany trzpień, po którym przesuwa się ślizgacz. Oś potencjometru to właśnie ten trzpień, więc mamy do dyspozycji np. 10 obrotów osi na regulację w pełnym zakresie, a nie tylko jeden obrót, w dodatku niecały.

Pojedyncze/podwójne

Potencjometry montażowe spotyka się wyłącznie jako pojedyncze. Ale te do ścianki są zarówno pojedyncze, jak i podwójne, a niekiedy nawet poczwórne. Jedna oś porusza wtedy wszystkie sekcje potencjometru jednocześnie.

Do czego nam taki twór? Najczęściej do wspomnianej wyżej regulacji głośności. Dźwięk stereo wymaga współbieżnej regulacji głośności obu kanałów, więc taki potencjometr nada się idealnie.

Podsumowanie

Potencjometry to mechaniczne elementy elektroniczne, które są coraz częściej wypierane przez elektroniczne zamienniki. Ale nie we wszystkich zastosowaniach zostaną zastąpione, na przykład jako elementy regulacyjne na płytkach drukowanych. Dlatego warto znać zasadę ich działania oraz właściwości.