Потенціометр

У статті пояснюється, що таке потенціометр. Отже, ви дізнаєтеся, що таке потенціометр, як він працює, які існують типи потенціометрів і нарешті для чого використовуються потенціометри.

Що таке потенціометр?

Потенціометр – це електричний компонент, що діє як змінний резистор, тобто. потенціометр - це резистор, значення якого можна змінювати (у певних межах).

Таким чином, потенціометр поводиться як дільник напруги, оскільки викликає падіння напруги. Крім того, втрачену різницю потенціалів можна регулювати вручну.

Коротше кажучи, потенціометр подібний до електричного опору, з тією лише різницею, що значення опору потенціометра можна регулювати, тоді як значення звичайного електричного опору фіксовано.

Символ потенціометра такий самий, як символ резистора, але через символ додається стрілка, що вказує на можливу мінливість його значення. Аналогічно значення опору потенціометра виявляється у Омах (Ом).

Частини потенціометра

Частини потенціометра :

• Фіксовані клеми : потенціометр має дві фіксовані клеми, зазвичай лише одна з них підключена до електричного кола.
• Змінна клема : клема, яка підключається до ланцюга та дозволяє змінювати значення електричного опору потенціометра.
• Стрілка (або курсор) : частина потенціометра, що змінює значення електричного опору Тобто положення повзунка визначатиме значення опору, тому що більше резистивного матеріалу між двома підключеними клемами, то вище значення опору.
• Резистивний матеріал : матеріал, що діє як електричний опір і, отже, ускладнює проходження електричного струму.

Зверніть увагу, що максимальне значення опору, що забезпечується потенціометром, буде отримано, коли курсор знаходиться в положенні непідключеної фіксованої клеми або безпосередньо якщо дві фіксовані клеми з'єднані. З іншого боку, мінімальне значення опору виходить, якщо помістити курсор у положення фіксованої клеми, підключеної до ланцюга, і в цьому випадку опір дорівнюватиме нулю (0 Ом).

Як працює потенціометр

Тепер, коли ми побачили, що таке потенціометри і з яких частин вони складаються, розберемося, як підключити потенціометр, щоб він працював правильно.

Робота потенціометра дуже проста: потенціометр складається зі смужки резистивного матеріалу та повзунка, так що залежно від того, де на смужці резистивного матеріалу розташований повзунок, значення опору буде вищим або нижче.

Таким чином, чим більше резистивного матеріалу між нерухомим виведенням потенціометра, підключеного до ланцюга, і положенням повзунка, тим більше опору забезпечує пристрій.

Тому для правильної роботи потенціометра важливо переконатися, що ви встановили повзунок у правильне положення. Таким чином, значення опору потенціометра буде відповідним.

Додатково необхідно переконатися, що потенціометр має фіксовану і змінну клему, підключену до електричного ланцюга, оскільки, якщо змінна клема не підключена до ланцюга, значення опору неможливо змінити.Аналогічно, якщо до ланцюга підключені обидві фіксовані клеми потенціометра, значення опору, що забезпечується потенціометром, завжди буде максимальним.

Як бачите, робота потенціометра дуже схожа на роботу реостату.

Типи потенціометрів

Різні типи потенціометрів можна класифікувати за способом зміни опору та, з іншого боку, за функцією, яка змінює значення опору.

Види потенціометрів в залежності від типу керування:

• Поворотний потенціометр - Тип потенціометра, в якому значення опору контролюється шляхом обертання потенціометра вала. Поворотні потенціометри найчастіше використовуються, оскільки вони служать довго і займають мало місця.
• Ковзаючий потенціометр : Потенціометр, резистивна доріжка якого пряма, тому шлях повзунка потенціометра також прямий. Ці типи потенціометрів більш тендітні, ніж поворотні потенціометри, і займають більше місця.
• Багаторазовий потенціометр : складається з декількох потенціометрів, осі яких розташовані співвісно, ​​що дозволяє займати дуже мало місця.
• Потенціометр регулювання : номінал резисторів попередньо встановлений на заводі, тому вони зазвичай недоступні зовні. Цей тип потенціометрів використовується, коли користувач не повинен регулювати значення опору.

Типи потенціометрів в залежності від зміни опору:

• Лінійний потенціометр : значення опору змінюється прямо пропорційно положенню курсору.
• Логарифмічний потенціометр : Значення опору та положення повзунка потенціометра мають логарифмічну залежність Тому значення опору дуже чутливе до зміни положення повзунка.
• Синусоїдальний потенціометр . Опір потенціометра пропорційно синусу положення повзунка.
• Експонентний (або антилогарифмічний) потенціометр : зміна опору експонентна залежно від положення курсора потенціометра.

Навіщо потрібен потенціометр?

Потенціометр переважно використовується в електронних пристроях, які повинні змінювати інтенсивність однієї зі своїх характеристик. Отже, нижче можна побачити кілька прикладів використання потенціометра:

• Стереосистеми використовують потенціометри для регулювання гучності звуку.
• У лампах або світильниках із регульованою яскравістю використовується потенціометр для керування інтенсивністю світла.
• Вентилятор, здатний обертатися з різною швидкістю, зазвичай використовує потенціометр зміни швидкості.
• Акселератор, як і педаль автомобіля, що використовується для прискорення, зазвичай має потенціометр, що визначає положення, в якому він знаходиться. Таким чином, інформація може бути передана в систему керування, і вона збільшує або зменшує швидкість автомобіля.

Призначення та схема включення потенціометра

Потенціометр – це радіокомпонент, що дозволяє регулювати рівень напруги на навантаженні практично від нульових значень до рівня напруги живлення. По своїй суті потенціометр це регульований вручну змінний резистор, що має три висновки. Два його висновки приєднані до кінців резистивного елемента, а третій висновок - "двигун", приєднаний до ковзного контакту, який можна пересунути по резистивному тілу. Переміщуючи повзунок потенціометра, ми тим самим змінюємо опір між висновками, а отже змінюється і падіння напруги на них. Тому положення движка і задає вихідну напругу, що знімається з потенціометра.

Отже, потенціометр це класичний змінний резистр з трьома контактами, де між двома крайніми з них розташовується фіксований опір, а між будь-яким із крайніх та середнім контактом – змінний опір. Потенціометр, в принципі, можна вважати і класичним дільником напруги, де його R в Омах утворюються між крайнім та середнім висновком. Синонім потенціометра (англійською мовою potentiometer) є реостат (англійською rheostat), хоча між ними і є зовсім незначні відмінності.

Принцип роботи цього компонента електроніки майже такий самий, як і дільника напруги на резисторах. Так як резистивний елемент можна подати у вигляді двох послідовно з'єднаних опорів, де положення двигуна визначає співвідношення номіналу першого резистора до другого.

пристрій потенціометра

Типовий потенціометр складається з опору з деякою струмопровідною поверхнею і з движка, що йде по ній - рухомого контакту потенціометра. Чим ближче двигун до кута, тим меншим між двигуном і цим кутом, і відповідно навпаки. У ролі омічного може виступати тверда речовина з великим питомим опором або скручена обмотка з дроту. Є потенціометри як з логарифмічним і лінеарним, сопр. та позиційним ставленням. Переважна більшість існуючих потенціометрів поворотні, але є також пристрої ковзного типу. Особливий тип потенціометра це дигітальні пристрої, в яких регулювання Ом здійснюється всередині мікросхеми відповідно до тих, хто надходить із зовнішньої схеми на мікроконтролері керуючими сигналами. Приклад показаний у відео уроці нижче.

Найпростішим потенціометром є типовий однооборотний змінний резистор. Цей тип змінного опору особливо часто застосовується в аудіосистемах у схемах регулювання рівня гучності.

При виготовленні потенціометрів застосовуються різні резистивні речовини та матеріали: металокераміка, електропровідний пластик, вуглець, дріт, металева плівка.

На схемах в електроніці та електротехнікі потенціометр позначається так:

Розглянемо просту схему включення потенціометра

Для цієї схеми підключення справедлива така формула:

На підставі схеми легко зрозуміти, що потенціометр це класичний регульований дільник напруги, і тому зображення вище, можна перемалювати наступним чином:

На малюнку представлена ​​стандартна схема дільника напруги. Точки А, B, С (висновки) розташовані за аналогією з потенціометром. Опір R₁ та R₂ це R_ab та R_bc. У виразі трохи вище, у знаменнику представлено суму цих опорів, тобто R_ac = R₁+R₂.

Необхідно також відзначити, що для нормальної та головної стабільної роботи потенціометра необхідно підбирати навантаження. R_н значно більшу, ніж номінал опору потенціометра R_п.

Як вже було згадано вище, потенціометр зазвичай має три висновки: два з них з'єднані один з одним за допомогою постійного опору, а третій висновок має рухомий контакт, який переміщається по резистивній поверхні.

Потенціометр працює за принципом дільника напруги, з тією невеликою різницею, що переміщення ручки призводить до зміни положення другого контакту і тим самим змінюється співвідношення опорів резисторів R1 і R2, дивись малюнок нижче:

По виду зміни опору потенціометри бувають:

Лінійні – зміна Ом у пристрої йде прямо пропорційно куту повороту ковзного контакту
Логарифмічні - Оми змінюється з початку дуже швидко, потім набагато повільніше;
Експонентні - Зміна Ом здійснюється з початку повільно, а потім помітно швидше

За типом пристрою корпусу корпуси потенціометри поділяються на:

Монтажні призначені для паяння на друкованих платах
Стаціонарні - призначені для розміщення на корпусі пристрою

За кількістю оборотів потенціометри класифікуються на:

Однооборотні - Переміщення двигуна відбувається за один оборот
Багатооборотні - Двигун резистора здатний виконати багато обертів (5, 10 або 20) для підвищення точності та зниження похибки. У них, як правило, резистивний компонент має спіральну або гвинтову форму.
Здвоєні - Поєднує два окремих опори на одному валу, це дає можливість паралельного регулювання двох аудіо каналів.

Лінійні повзункові потенціометри поділяються на:

Повзункові - використовуються в основному для аудіо пристроїв на один канал
Подвійні повзункові - дає можливість налаштовувати два незалежні канали
Багатооборотні повзункові - має шпиндель, який обертальний рух переводить у поступальне лінійне переміщення двигуна резистивним тілом.

Цифровий потенціометр працює як типовий механічний потенціометр, який змінює свій опір, за винятком того фактора, що цифровий потенціометр є мікросхемою, і в ролі керуючого впливу в ній застосовується електричний сигнал, а не обертання ручки як у прикладі з механічним потенціометром.

Цифровий потенціометр MCP41010 та його схема підключення до Ардуїно.

В принципі, обидва типи потенціометрів це аналогові пристрої, які забезпечують змінний опір. Але в механічному потенціометрі опір регулюється дільником напруги, номінал якого змінюється через обертання або переміщення механічної ручки. Цифровий потенціометр змінює значення опору цифровими входами без участі механічних вузлів.

В даний час цифрові потенціометри дорожчі за своїх механічних побратимів, але в майбутньому це обов'язково зміниться. Зате з точки зору надійності він у багато разів кращий за механічний потенціометр. Цифрові потенціометри набагато сильніше захищені від несприятливих факторів навколишнього середовища, оскільки вони можуть знаходитися в ізольованому корпусі. Вони практично не схильні до вібрації, менш доступні для фізичного впливу і т.п. На малюнку нижче показано структурну схему здвоєного цифрового потенціометра типу TPL0102.

Додатковим можливостям цифрового потенціометра можна віднести режим автоматичного відключення і програмоване значення, яке задається після включення. Цифрові потенціометри використовують енергозалежну та енергонезалежну пам'ять. Крім того, вони суттєво менші за своїх механічних колег, тому вони займають менше місця на друкованій платі.

Крім того, цифрові потенціометри мають більш високу роздільну здатність, точність і стабільність у роботі. До мінусів можна віднести дещо підвищену складність в експлуатації, тому що перед застосуванням його необхідно запрограмувати. Це зазвичай роблять через інтерфейси I2C або SPI.Зате цифрові потенціометри з величезним успіхом можуть використовуватися в програмованих блоках живлення, фільтрах, вимірювальних приладах і регулювання звуку в аудіосистемах.

У реостата є два висновки, а у потенціометра, як ми вже розповіли цілих три. Тому більше не плутайте їх між собою.

Що таке цифровий потенціометр і де він застосовується

Потенціометр - це "дільник" напруги або змінний резистор (ПР). У випадку з його цифровим типом — це інтегральна схема, що регулює опір і використовує для цього програму, в якій вже задані кроки діапазону, що застосовується.

Цифрові та механічні потенціометри: відмінності

"Еволюція" резисторів не стоїть на місці. Тому все рідше в різних видах апаратури, починаючи від аматорського радіо та закінчуючи пристроями із РК-дисплеями, можна зустріти механічні варіанти радіоелементів. Їм на зміну прийшли цифрові потенціометри.

Хоча користувачі відзначають, що функціонал звичайних резисторів і ЦП можна порівняти, за технічними параметрами та надійністю у останніх потенціал набагато вищий.

ЦП і ПР - взаємозамінні резистори з широкими розбігом опору. Але є й відмінності:

• Механічні потенціометри можуть витримувати великі навантаження напруги та успішно розсіювати потужність. Але згодом вони зношуються, при цьому їх технічні показники погіршуються. Пов'язані такі зміни з особливістю конструкції ПР. Цифровим аналогам це загрожує, оскільки вони відсутні механічні частини, які першими піддаються зносу, розбовтуються чи змінюють форму.
• Механічні резистори дуже чутливі до струсів і ударів, які рухомий елемент згодом може окислитися, що також позначається термін експлуатації.ЦП складається з кількох мікросхемних перемикачів (КМОП), що робить його стійким до різних впливів - ударів, змін у навколишньому середовищі, зносу та іншому.

Таким чином, цілком логічно, що у всі види сучасних електронних пристроїв вбудовуються цифрові потенціометри.

Що потрібно врахувати під час виборів ЦП

При необхідності купити цифровий потенціометр слід знати, на які параметри звертати увагу. Серед них:

• Рівень вхідного сигналу (напруга).
• Максимальний показник потужності та струму.
• Імпеданс (показник повного опору).
• Рівень дозволу.
• Кількість каналів.
• Лінійність опору.
• Положення під час увімкнення.
• Наявність чи відсутність енергозалежної пам'яті.
• Інтерфейс резистора.
• Розмір пристрою.

Віддавати перевагу потрібно ЦП, параметри якого найбільше підходять під конкретне завдання. Наприклад, останній показник дуже важливий для додатків та схем, критично обмежених за розміром. Хоча деякі користувачі відзначають, що можна зробити подібний потенціометр своїми руками, така робота не варта витраченого часу та сил. У продажу настільки великий вибір ЦП, та ще й за доступною ціною, що можна підібрати для будь-яких цілей та пристроїв.

Головні параметри ЦП

Найважливішим показником цього виду резистора є кількість кроків, тобто комутованих відводів. Найчастіше воно співвідноситься до ступеня 2. Найбільш поширеними є ЦП від 32 до 256 кроків.

Також при виборі пристрою важливим параметром вважається повний опір. У продажу найчастіше можна зустріти резистори з показниками 10 кОм, 50 кОм та 100 кОм.

Також потрібно приділити увагу показнику максимальної напруги на висновках, в крайньому положенні, подивитися на рівень допустимого струму, нелінійність, температурний коефіцієнт і потужність, що розсіює.

Показники пристроїв можуть відрізнятися у різних виробників, тому підбирати краще, виходячи з потреб апаратури, для якої вони застосовуються. Нижче наведено таблицю з параметрами, характеристиками та особливостями потенціометрів.

Плюси цифрових потенціометрів

Якщо порівнювати механічні чи інші види резисторів з їх цифровими аналогами, то останні мають ряд переваг. Серед них:

• Цифрові потенціометри не містять рухомих механічних елементів, які вимагають спеціальної настройки і втрачають точність при ударах.
• ЦП відрізняються високою надійністю. Їм не страшна вібрація чи шумові хвилі.
• Цифрові резистори успішно працюють за умов малого струму.
• Електронний потенціометр не має спеціальних отворів для регулювання налаштувань, які у звичайних пристроях слід відкривати викруткою.
• ЦП швидко налаштовуються.
• Відрізняються точністю регулювання.
• При включенні живлення спочатку задане положення ЦП може бути завантажене з енергозалежної пам'яті.
• Можна використовувати одразу кілька цифрових потенціометрів, вбудованих в один корпус. При цьому відносне відхилення у показниках становитиме не більше 1%.
• Габарити корпусів цифрових резистори дуже малі, що дозволяє їх застосовувати в картах пам'яті для комп'ютерів, ноутбуків, телевізорів та іншої апаратури, наприклад, PCMCIA або аналогічних їм. Найчастіше це тонкі малогабаритні корпуси (TSSOP) чи SOT-23.
• Ціна ЦП нижча за кращі версії змінних резисторів.

Всі ці параметри визначають вибір споживачів та виробників електронної техніки на користь цифрових потенціометрів.

Наявність енергонезалежної пам'яті

Це дуже важливий параметр. Прості змінні резистори після налаштування зберігають регулювальні параметри. У цифрових все інакше: як тільки відбувається вимкнення, задані налаштування скидаються. При наступному підключенні ЦП повертається у положення, введене спочатку (заводські налаштування, наприклад). Початкові параметри залежить від типу резистора.

У системі з цифровим потенціометром часто встановлюється мікропроцесор, здатний завантажувати необхідні відновлення регулювань коди. За його відсутності слід використовувати резистор із енергозалежною пам'яттю.

Ця вбудована функція дозволяє один раз встановити потрібні параметри, а при наступних вимкненнях/вмиканнях апарата відновлювати їх. Сьогодні більшість виробників, наприклад, Catalyst або Xicor, виготовляють ЦП виключно з програмованою пам'яттю.

Є навіть цифрові резистори з можливістю запам'ятовування до 4-х налаштувань, що дуже корисно, якщо пристрій працює відразу в кількох режимах або в умовах попереднього встановлення. Кількість пам'яті може бути різною залежно від призначення ЦП. Так, резистор DS1845/46 має пам'ять 256 Б.

Розбіг допустимих напруг

Особливістю цифрових потенціометрів є те, що їх не можна підключати до ланцюга, показник якого вищий за допустиму для них напругу. Цей параметр не повинен виходити за межі напруги ЦП. Для більшості наявних на ринку цифрових резисторів він знаходиться в діапазоні від 0 до 5 В. ЦП можна використовувати лише в ланцюгах з такою ж напругою живлення.

Щоправда, існують варіанти, напруга на висновках яких більша, ніж у харчуванні. Так, електронний потенціометр X9312 має живлення +5, але здатний прийняти +15 В.

Також є резистори з двополярним типом живлення, наприклад, ±5 В. Як зазначають деякі користувачі, двополярне харчування при подачі сигналів, що управляють щодо негативного напруги, можна подавати і на звичайний ЦП.

Залежність від ТКС

Температурний коефіцієнт опору – важливий параметр. Він досить великого діапазону, тому що резистори виготовляються з полікристалічного кремнію, який має позитивну ТКС. Абсолютне значення температурного коефіцієнта дорівнює 300-800 ppm/град.

Його потрібно враховувати, коли ЦП застосовується як дільник напруги або триполюсника, оскільки показник першого має невеликий температурний коефіцієнт — всього 20 ppm/град.

Можливі перешкоди

Вони можуть виникнути у зв'язку з тим, що ЦП проникають сторонні сигнали з керуючих входів у ланцюг. Це відбувається через наявність у них ємностей, наприклад між каналами або затвором польового ключа.

Такі перешкоди практично непомітні там, де регулювання проводиться рідко, але, наприклад, при встановленні гучності вони небажані. Для пристроїв, в яких ЦП повинні налаштовуватися, часто бувають потрібні спеціальні електронні резистори для усунення подібних перешкод, наприклад glitchless-регулятори.

Сфери застосування ЦП

Область використання цифрових потенціометрів дуже широка і з кожним роком стає дедалі більше, адже з'являються нові, більш просунуті резистори. Нижче представлені найпоширеніші сфери застосування ЦП:

• У цифрових (електронних) підсилювачах. Ці прилади використовуються для посилення електричної потужності.
• У джерелах опорної напруги. ІОНи встановлюються у всі вимірювальні прилади та є їх основним вузлом. Цифровий потенціометр у їх схемі забезпечує точність налаштувань.
• У системах регулювання гучності у будь-яких акустичних пристроях.
• В операційних підсилювачах для зміщення напруги до нуля.
• У стабілізаторах напруги для регулювання.
• У пристроях або схемах вимірювання рівня опору електроструму для налаштування мостів.
• Для налаштування частоти, регулювання посилення або ослаблення звуку у смугових фільтрах. ЦП необхідний для калібрування системи коливань.
• У вимірювальних приладах з датчиками посилення сигналу регулювання повної шкали та її усунення.
• У генераторах імпульсів з несиметричним типом сигналу регулювання їх частоти.
• У широкосмугових регульованих ВЧ атенюаторах для регулювання Pin-діодів. Останні відповідають за захист радіоапаратури від небажаних НВЧ-імпульсів.
• РК-індикатори для регулювання контрастності.

Найчастіше ЦП застосовують як налаштувач гучності в смартфонах, в multimedia, в невеликого розміру переносної апаратури. Для використання у високоякісних регуляторах є спеціалізовані ЦП, наприклад CS3310 від Crystal або AD7111 від Analog Devices.

Приклади використання

Нижче наведено приклад використання та управління 6-канальним ЦП AD5206 за допомогою плати Arduino. Пристрій призначений для регулювання яскравості діодів. У цьому використовується зв'язок SPI. Для налаштування резисторів потрібні:

• Плата Arduino.
• ЦП AD5206.
• Світлодіоди (6 шт.).
• Перемички та макетна плата.

Нижче представлена ​​схема AD5206, її розпинування та призначення висновків.

Цей цифровий потенціометр оснащений 6-ма змінними резисторами, для кожного з яких у корпусі відведено по 3 висновки. В окремих потенціометрів висновки позначені A1, B1 та W1.

У цьому прикладі всі 6 потенціометрів застосовують у ролі дільника напруги. Для чого 1 крайній висновок (А) підключається до живлення, а другий (В) до шини землі. Wiper (або середній) бере змінну напругу.

При такому підключенні AD5206 створює опір 10 кОм, який змінюється в 255 кроків.

Нижче наведено схему приєднання.

ЦП для програмування у схемах

Якщо цифрові потенціометри використовуються для програмування різних рівнів у схемах або калібрування в пристроях датчиків, то саме їх стан визначає швидкість і точність регулювання при підключенні до живлення.

У продажу є багато різних видів ЦП, що відрізняються можливостями налаштування користувача при включенні, але основних категорій лише дві:

1. Енергонезалежні кристалічні резистори, які мають елемент пам'яті. Саме останній фіксує положення двигуна при підключенні пристрою.
2. Енергозалежні. Ці види ЦП не мають пам'яті, тому в них двигун займає положення нульове, середнє або верхнє при підключенні до живлення залежно від їхньої конструкції. Щоб встановити його правильно, вивчіть інструкцію з технічними параметрами.

Перші варіанти ЦП можна розділити на 3 види за типом пам'яті, що використовується в них:

• Електрично стираються або перепрограмовані (EEPROM). Вони дані можуть стиратися і заново записуватися необмежену кількість разів.
• З одноразовою програмою.
• Багаторазово програмовані.

Подібний поділ допомагає підібрати оптимальний вид потенціометра під конкретну схему чи систему. Так, в апаратурі, де необхідне постійне (часте) налаштування, наприклад, звуку в аудіосистемі, можна встановити енергозалежний варіант.

Якщо у пристрої потрібно налаштувати один раз параметри для його використання, наприклад заводські налаштування, то підійде тип з ГРТ. Він залишається постійним весь час його експлуатації.

Цифровий потенціометр здатний прийняти лише ту амплітуду сигналу, яка закладена в рамках його верхнього та нижнього показника напруги живлення. Якщо планується застосувати його для проведення змінного струму, краще скористатися резисторами з двополярним живленням.

Висновок

Як було зазначено, цифрові потенціометри заміщають механічні та інші види резисторів під час створення регульованих систем. Тим самим вся схема (або вузол) пристрою стає більш надійною, довговічною, їй не страшні струси, падіння, окислення елементів, як це відбувається в механічних аналогах. Також ЦП незамінні в платах або схемах вкрай малого розміру, наприклад картах пам'яті.

Щоб підібрати потрібний варіант, слід уважно вивчити параметри та сферу застосування цифрових потенціометрів. Саме сукупність перших та рівень їх впливу на якість та ефективність ЦП мають бути вирішальним фактором при купівлі.