Potencjometr obrotowy - schemat, podłączenie i zasada działania

Potencjometr to użyteczny element elektroniczny, dzięki któremu możemy w łatwy sposób zmieniać parametry układu. Jedną z jego odmian, bodaj najpopularniejszą, jest potencjometr obrotowy. Jak działa i jakie ma zastosowania?

Co to jest potencjometr?

Ten podzespół jest niczym innym jak regulowanym rezystorem. Możemy zmieniać jego rezystancję płynnie, od zera do wartości maksymalnej, nadrukowanej na obudowie. Jednak to nie wszystko.

Budowa potencjometru

Zwykły rezystor ma dwa wyprowadzenia, a zwykły potencjometr - trzy. Bardzo wiele o zasadzie funkcjonowania tego podzespołu powie nam jego symbol schematowy, który wygląda następująco:

Między skrajnymi wyprowadzenia jest włączona ścieżka mająca stałą oporność, stąd rezystor. Natomiast trzecie wyprowadzenie, które do tego rezystora dotyka (dosłownie i w przenośni) nosi nazwę suwaka lub ślizgacza. Zapewnia kontakt elektryczny z jednym z wybranych punktów na ścieżce oporowej. Oś umożliwia ręczne przemieszczanie ślizgacza po powierzchni ścieżki.

Schemat budowy potencjometru jest następujący:

W tym potencjometrze ślizgacz obraca się przyczepiony do łożyskowanej osi. W innych potencjometrach przesuwa się po linii prostej - są to potencjometry suwakowe.

Zakres obrotu ślizgacza jest zawężony wbudowanymi ogranicznikami. Dzięki nim nie ma możliwości popsucia tego elementu, ponieważ utrzymują one stale ślizgacz na powierzchni ścieżki. Typowy kąt obrotu wynosi 270°.

Jak to działa?

Ślizgacz dzieli ścieżkę na dwa szeregowo połączone rezystory, R₁ i R₂. Między jednym skrajnym wyprowadzeniem a środkowym (do którego podłączony jest ślizgacz) mamy rezystor R₁, a między drugim skrajnym i środkowym jest rezystor R₂. Zatem, patrząc na prądowe Prawo Kirchhoffa, między skrajnymi odczepami potencjometru jest suma rezystancji obu tych rezystorów R₁ + R₂. Ona jest stała i wynosi tyle, ile zadeklarował producent na obudowie danego podzespołu.

To tylko model, który ułatwia zrozumienie zasady działania tego elementu. W rzeczywistości nie ma tam żadnych rezystorów, jest tylko ścieżka oporowa. Im dłuższy odcinek ścieżki oporowej między skrajnym wyprowadzeniem a ślizgaczem, tym większą ma rezystancję. Jednocześnie maleje rezystancja drugiego rezystora, ale suma obu ich wartości jest cały czas taka sama. W skrajnych położeniach ślizgacza, kiedy dotyka on bezpośrednio do zacisku łączącego ścieżkę oporową z nóżką, rezystancja jest bliska zeru.

Jak prawidłowo podłączyć potencjometr?

Istnieje kilka możliwości użycia potencjometru obrotowego. Sprawdźmy, jak zrobić to poprawnie.

Dzielnik napięcia

Najczęściej używamy tego elementu w roli regulatora napięcia. Wtedy musi on pełnić rolę dzielnika napięcia, który jest specyficznym układem dwóch rezystorów połączonych w ten sposób:

Wejściowe napięcie U_wej jest przyłożone do skrajnych zacisków potencjometru. Powoduje ono przepływ prądu przez połączone szeregowo rezystory R₁ i R₂, czyli przez całą ścieżkę oporową. To wywołuje spadek napięcia na obu tych rezystorach. Zmieniając jednocześnie ich wartości (kiedy jeden rośnie a drugi maleje) można uzyskać liniową zmianę napięcia U_wyj - mianownik tego ułamka to wartość stała, czyli po prostu rezystancja ścieżki oporowej.

Podany wzór na napięcie wyjściowe (uzyskane między środkowym a skrajnym wyprowadzeniem) obowiązuje, kiedy wyjście potencjometru nie jest w ogóle obciążone bądź gdy rezystancja tego obciążenia jest daleko większa od R₁ i R₂. Na przykład, kiedy następnym układem jest wejście wzmacniacza operacyjnego lub przetwornika analogowo/cyfrowego w mikrokontrolerze.

Tej konfiguracji używamy, kiedy chcemy uzyskać płynną regulację napięcia. Na przykład, w układach audio do regulacji głośności albo w sterownikach PLC do zadawania wartości wejściowych. W roli regulator głośności, najprościej użyć potencjometru w następującym układzie:

Regulowany rezystor

Jeżeli użyjemy tylko dwóch nóżek tego podzespołu - środkowej i skrajnej - uzyskamy zwykły rezystor, którego wartość możemy płynnie zmieniać. Jednak są tutaj dwa zastrzeżenia.

Jeżeli ślizgacz utraci kontakt ze ścieżką oporową, chociażby na chwilę, wówczas taki rezystor będzie stanowił przerwę, czyli rozwarcie w obwodzie. Może tak się zdarzyć kiedy potencjometr jest już zużyty lub jego ścieżka oporowa jest silnie zabrudzona, na przykład smarem. Aby do tego nie dochodziło, wystarczy zewrzeć nieużywane wyprowadzenie ze środkowym. Jeżeli ślizgacz oderwie się od ścieżki, rezystancja takiego elementu wzrośnie do wartości maksymalnej, ale nie będzie on stanowił rozwarcia.

Ta sama uwaga dotyczy potencjometru w roli dzielnika. Stare, wytarte regulatory głośności wprowadzają do dźwięku zakłócenia i trzaski, odczuwalne zwłaszcza podczas ich obracania. To jest ten sam efekt, czyli chwilowy brak kontaktu elektrycznego między powierzchnią ścieżki oporowej a ślizgaczem. Jednak metody na łagodzenie tego efektu są inne, na przykład dodanie rezystora polaryzującego wyjście dzielnika potencjałem masy.

Drugie zastrzeżenie dotyczy zakresu regulacji rezystancji. O ile nie dodamy jakiejś mechanicznej blokady na osi, ślizgacz potencjometru może swobodnie obracać się od jednego położenia skrajnego do drugiego. W jednym z nich rezystancja naszego regulowanego rezystora będzie zerowa. Czasami jest to potrzebne, lecz czasem zapominalski projektant danego układu po prostu o tym zapomni, co może mieć fatalne skutki.

Na przykład, w poniższym prostym układzie można regulować jasność diody poprzez zmianę rezystancji elementu, który ogranicza jej prąd. Wszystko jest dobrze, dopóki użytkownik (celowo lub przez roztargnienie) nie zmniejszy rezystancji do zera. Prąd płynący przez diodę LED wzrośnie wtedy do bardzo wysokiej wartości, przez co spali się bezpowrotnie.

Jeżeli w szereg zostanie dodany rezystor stały, wówczas wypadkowa rezystancja takiego zestawu nigdy nie spadnie poniżej tej właśnie wartości. Można w ten sposób uratować diodę przed spaleniem.

Rodzaje potencjometrów

Potencjometry obrotowe mają kilka różnych sposobów wykonania, co determinuje ich przeznaczenie.

Montażowe

Najprostsze i najmniejsze potencjometry można nabyć w cenie nawet kilkunastu groszy za sztukę. Mają małe gabaryty, a ich oś została przymocowana do niewielkiego kółka z nacięciem. Można w nie włożyć wkrętak (płaski lub krzyżykowy) i obracać ją. Mają dwa warianty wykonania: poziome i pionowe.

Są montowane wprost na płytkach drukowanych i zwykły użytkownik nie ma do nich dostępu. Służą do tego, żeby dany parametr wyregulować jeden raz, na linii produkcyjnej, po czym więcej go nie zmieniać. Z reguły są wykonane w całości z tworzywa sztucznego, poza elementami przewodzącymi prąd.

Do ścianki

Te potencjometry mają nieco bardziej masywną obudowę, wykonaną najczęściej z metalu - z reguły jest to aluminium. Oś, do której przymocowany jest ślizgacz, posiada nacięcia ułatwiające nałożenie na nią gałki w ten sposób, aby nie miała luzów i nie spadała. Wokół osi jest gwint, umożliwiający przykręcenie potencjometru do frontowej ścianki obudowy urządzenia - stąd ich nazwa.

Te potencjometry są dostępne w wykonaniu zarówno pojedynczym, jak i podwójnym. W drugiej opcji mają w środku sprzęgnięte dwa identyczne zespoły, składające się ze ślizgacza i ścieżki oporowej, a na zewnątrz wystaje 6 nóżek, a nie 3. Podwójne potencjometry są z reguły używane do regulacji głośności dźwięku w stereofonicznych układach audio.

Pokazane wcześniej potencjometry, montażowe, są dostępne jedynie z tzw. charakterystyką liniową. To oznacza, że zmiana kąta obrotu osi powoduje proporcjonalną, liniową (stąd nazwa) zmianę rezystancji. Wśród potencjometrów montowanych do ścianki też takie istnieją i oznacza się je literką B (kiedyś A).

Są też dostępne potencjometry tzw. logarytmiczne, które działają dokładnie tak samo, lecz rozkład warstwy oporowej na powierzchni ścieżki nie jest równomierny. Służą głównie do regulacji głośności, ponieważ logarytmiczna zmiana głośności dobrze współgra z logarytmiczną charakterystykę czułości ucha ludzkiego. Uzyskujemy wtedy wrażenie liniowej zmiany głośności. Producenci oznaczają je literą A (kiedyś B).

Z silnikiem

Potencjometry są elementami mechanicznymi, co nie oznacza, że trzeba używać ręki, aby nimi obracać. Może to za nas zrobić zwykły, mały silnik prądu stałego z odpowiednią przekładnią. Przykładając do silnika napięcie w jedną lub w drugą stronę uzyskujemy obrót osi potencjometru w lewo lub w prawo.

Takie potencjometry nadal możemy regulować ręcznie, ponieważ mają wyprowadzoną zwykłą oś, na którą należy nałożyć gałkę. Ich ręczne obracanie jest jednak nieco trudniejsze, ponieważ między osią a przekładnią jest sprzęgło, stawiające pewien opór. Ma ono dwie funkcje:

• zapobiega połamaniu przekładni przy skrajnym położeniu ślizgacza oraz
• umożliwia ręczne obracanie osi, kiedy silnik jest wyłączony.

Tego typu potencjometry mają z reguły charakterystykę logarytmiczną, są podwójne i dlatego używa się ich do regulacji głośności w układach audio. Można wtedy dokonywać tego ręcznie, gałką, lub wprawiać ją w ruch za pośrednictwem np. pilota zdalnego sterowania.

Jak sprawdzić potencjometr?

Jak każdy element elektroniczny, tak również potencjometry mogą ulegać awarii. Do sprawdzenia poprawności ich działania wystarczy zwykły omomierz, nie trzeba mieć żadnych specjalistycznych przyrządów.

Po pierwsze, należy podłączyć omomierz między skrajne wyprowadzenia potencjometru. Jeżeli zmierzona rezystancja odpowiada tej, która została nadrukowana na obudowie, mamy pierwszy pozytywny sygnał. Tolerancja wykonania tych elementów jest z reguły marna, zazwyczaj aż 20%, dlatego różnice mogą być znaczne - i to w pełnosprawnych elementach, świeżo z fabryki.

Następnie warto powtórzyć pomiar, ale między ślizgaczem i skrajnym wyprowadzeniem. Obracając powoli oś potencjometru będziemy obserwowali płynną zmianę rezystancji - wzrost do maksimum lub spadek do zera. Jeżeli “po drodze” nie było nagłych skoków rezystancji, można taki element uznać za sprawny.

Oględziny i czyszczenie

Warto jeszcze obejrzeć potencjometr z zewnątrz. W szczególności, czy nity mocujące wyprowadzenia trzymają się mocno i nie są obluzowane. Może to powodować przerwy w przepływie prądu i trzaski.

Jeżeli potencjometr jest brudny, zwłaszcza wewnątrz, można spryskać jego wnętrze, przez jakąkolwiek szparę, preparatem czyszczącym przeznaczonym do potencjometrów. Najpopularniejszym jest Kontakt PR, choć można kupić również inne preparaty.

https://sklep.avt.pl/kontakt-pr-60ml.html

Rozróżnienie charakterystyki

Nowsze potencjometry liniowe oznacza się literką B, zaś starsze A. Logarytmiczne - odwrotnie. Tworzy to chaos. Niekiedy nie jesteśmy pewni czy to, co mamy w szufladzie, jest potencjometrem liniowym czy też logarytmicznym. Można to jednak łatwo sprawdzić.

Wystarczy podłączyć omomierz między środkowe i skrajne wyprowadzenie, po czym ustawić oś w okolicach połowy dostępnego zakresu ruchu. Jeżeli rezystancja będzie zbliżona do połowy rezystancji ścieżki - mamy potencjometr liniowy. Jeżeli nie, logarytmiczny - w nich większość zmiany rezystancji ścieżki odbywa się w niewielkim przedziale ruchu osi.

Podsumowanie

Potencjometry obrotowe to pożyteczne i przydatne elementy elektroniczne, jednak trzeba wiedzieć, jak podłączyć je prawidłowo. Mnogość różnych wykonań i wariantów sprawia, że do każdego zastosowania można dobrać odpowiedni podzespół.