Potencjometry - co warto o nich wiedzieć?

Współczesna elektronika w dużej mierze odchodzi od wszelkiego rodzaju elementów mechanicznych na rzecz rozwiązań półprzewodnikowych. Tak dzieje się chociażby w przypadku konwencjonalnych podzespołów stykowych – przyciski i przełączniki coraz częściej są zastępowane przez znacznie nowocześniejsze rozwiązania, oparte m.in. na ekranach i przyciskach dotykowych, optycznych i pojemnościowych czujnikach gestów, czy nawet… systemach rozpoznawania głosu. Warto jednak zwrócić uwagę, że w wielu praktycznych rozwiązaniach wciąż doskonale bronią się tradycyjne potencjometry – w dzisiejszym wpisie przyjrzymy się konstrukcji i rodzajom potencjometrów oraz ich najczęstszym aplikacjom w rozmaitych urządzeniach elektronicznych.

Zacznijmy od podstaw – budowa potencjometru

Potencjometr jest czasem nazywany mianem rezystora nastawnego lub rezystora zmiennego – i te właśnie określenia najlepiej obrazują, z jakim elementem mamy do czynienia. Zadaniem potencjometru jest bowiem – najprościej mówiąc – manualna regulacja rezystancji, włączonej do danego obwodu urządzenia. Serce każdego potencjometru stanowi tzw. ścieżka oporowa, wykonana najczęściej w postaci napylonej na ceramiczne podłoże, wąskiej i podłużnej warstwy grafitu. Szerokość, długość całkowita oraz grubość ścieżki determinuje wynikową rezystancję potencjometru, mierzoną pomiędzy dwoma wyprowadzeniami lutowniczymi, podłączonymi do końców ścieżki. Po górnej powierzchni oporowego paska przemieszcza się tzw. suwak – cienki, delikatny styk, wykonany ze sprężystego metalu i podłączony do trzeciego, centralnego wyprowadzenia potencjometru. Całość jest umieszczona w obudowie – czasem hermetycznej, choć w wielu przypadkach częściowo otwartej (co zresztą jest główną przyczyną szybszego zużywania tego typu komponentów, z uwagi na dostające się do obszaru ścieżki oporowej zanieczyszczenia oraz wilgoć).

Rodzaje potencjometrów z mechanicznego punktu widzenia

Zdecydowanie najbardziej rozpowszechnione są potencjometry obrotowe, w których ścieżka oporowa ma kształt wycinka pierścienia (o kącie około 270^o), zaś suwak jest sprzężony z wyprowadzoną na zewnątrz obudowy osią, współpracującą z gałką (pokrętłem). W sprzęcie audio (głównie konsolach mikserskich i stołach DJ) można także znaleźć potencjometry suwakowe, w których ścieżka oporowa ma postać długiego, wąskiego prostokąta, zaś suwak przemieszcza się po linii prostej.

Niektóre urządzenia wysokiej klasy – np. sprzęt pomiarowy, zwłaszcza starszej generacji – nierzadko wykorzystują specjalną odmianę rezystorów nastawnych, określanych jako potencjometry wieloobrotowe. W komponentach tych, za sprawą specjalnego układu ścieżki oporowej, ruch suwaka nie kończy się na „standardowych” 270 stopniach, ale obejmuje kilkanaście pełnych obrotów osi (gałki) – w ten sposób można uzyskać niebywale precyzyjną regulację danego parametru, np. napięcia wyjściowego zasilacza laboratoryjnego. Aby ułatwić dokładne ustawianie pożądanej wartości, potencjometry wieloobrotowe niemal zawsze współpracują ze specjalnymi pokrętłami, wyposażonymi w licznik mechaniczny i przekładnię.

Odmianą potencjometrów wieloobrotowych są tzw. „helitrimy” – z konstrukcyjnego punktu widzenia to zminiaturyzowana wersja potencjometru obrotowego, wyposażona w układ przeniesienia napędu, bazujący na przekładni ślimakowej. Elementy te, znane od lat 60. XX wieku, są stosowane do rzadko wykonywanych operacji, np. kalibracji układów pomiarowych, ustalania offsetu wzmacniaczy operacyjnych itp. Z tego też względu należą one do kategorii potencjometrów montażowych, które – pozostając ukryte wewnątrz obudowy docelowego urządzenia – są zwykle dostępne tylko dla serwisantów.

Charakterystyki potencjometrów

Warto wiedzieć, że poszczególne potencjometry obrotowe i suwakowe (z wyjątkiem montażowych) różnią się między sobą nie tylko całkowitą rezystancją ścieżki oporowej (mierzoną pomiędzy skrajnymi wyprowadzeniami), ale także kształtem charakterystyki, opisującej zależność pomiędzy kątem przemieszczenia suwaka (lub odległością od położenia początkowego, w przypadku potencjometrów suwakowych), a rezystancją – mierzoną pomiędzy suwakiem a wyprowadzeniem odpowiadającym położeniu początkowemu. Jeżeli rezystancja zmienia się jednostajnie wraz z przesuwaniem środkowego styku, mówimy o potencjometrze liniowym – taką właśnie charakterystykę mają nie tylko wszystkie potencjometry montażowe, ale także wiele „dużych” potencjometrów, stosowanych np. w ściemniaczach oświetlenia czy też potencjometrach regulacji barwy odbiorników radiowych oraz wzmacniaczy.

Ze względów praktycznych, niektóre potencjometry mają jednak charakterystykę silnie nieliniową – np. wykładniczą lub logarytmiczną, a ma to związek z biologicznymi zagadnieniami słyszenia dźwięków przez człowieka. Okazuje się bowiem, że ludzkie ucho inaczej odbiera sygnały akustyczne na poszczególnych poziomach głośności – z tego też względu zastosowanie potencjometru liniowego do regulacji natężenia dźwięku w sprzęcie audio byłoby bardzo nieintuicyjne i utrudniałoby wygodne dopasowanie głośności do aktualnych potrzeb użytkownika. W przypadku potencjometrów wykładniczych, rezystancja początkowo zmienia się zatem bardzo wolno, a potem – w miarę przemieszczania suwaka – coraz szybciej. Zupełnie odwrotna sytuacja ma miejsce w potencjometrach logarytmicznych – początkowo, rezystancja zmienia się bardzo szybko, zaś im dalej przesunie się suwak, tym wolniej zmienia się mierzona wartość oporu.

Zastosowania potencjometrów

Jak już wiesz, potencjometry są wykorzystywane w rozmaitych aplikacjach z różnych dziedzin współczesnej elektroniki. W sprzęcie audio, oprócz regulacji głośności i barwy dźwięku, pracują także w obwodach regulacji balansu stereo, mikserach (do ustalenia udziału poszczególnych kanałów wejściowych w przebiegu wyjściowym), a także przystawkach efektowych i procesorach dźwięku – przykładowo, liczne potencjometry obrotowe można znaleźć we wzmacniaczach i pedałach gitarowych, gdzie pełnią one rolę manualnych regulatorów parametrów, związanych z poszczególnymi efektami dźwiękowymi (np. pogłos, echo, tremolo czy też phaser).

W zasilaczach laboratoryjnych potencjometry wykorzystuje się do regulacji napięcia wyjściowego oraz wartości ograniczenia prądowego. Starsze generatory funkcyjne (a także niektóre spotykane do dziś generatory analogowe) są wyposażone w potencjometry służące m.in. do dostrajania częstotliwości, parametrów modulacji czy też amplitudy sygnałów wyjściowych. W przypadku aparatury przemysłowej, potencjometry są spotykane m.in. w konstrukcjach przetworników czujnikowych – pozwalają np. na prostą kalibrację układu pomiarowego. Także wytwarzane jeszcze przez niektórych producentów oscyloskopy analogowe wciąż bazują na potencjometrach obrotowych, służących do sterowania wszystkimi parametrami obrazowania przebiegów elektrycznych (wzmocnieniem pionowym, podstawą czasu, poziomem wyzwalania, przesunięciem pionowym, czy też funkcją hold off).

Klasyczne potencjometry obrotowe są szeroko wykorzystywane w sprzęcie AGD. Można je spotkać w niezliczonych modelach ściemniaczy oświetlenia, regulatorach prędkości obrotowej (np. mikserów kuchennych) czy też piekarnikach elektrycznych (w obwodach sterowania temperaturą). Branża HVAC intensywnie wykorzystuje potencjometry jako wygodne elementy umożliwiające intuicyjne sterowanie prędkością wentylatorów, stosowanych w systemach wentylacji oraz rekuperatorach.