Потенциометр: что это такое, устройства и принцип работы

Потенциометры - неотъемлемая часть любой электронной схемы. Они позволяют регулировать напряжение в цепи, не меняя при этом силу тока. В этой статье мы разберем, что такое потенциометр, его устройство и принцип действия, рассмотрим различные типы и области применения.

1. Что такое потенциометр и его назначение

Потенциометр - это измерительный прибор, предназначенный для определения напряжения путем сравнения двух напряжений с помощью компенсационного метода. При известном одном напряжении потенциометр позволяет определять второе напряжение.

Потенциометр (измерительный прибор) не следует путать с трехвыводным переменным резистором - электронным компонентом, жаргонно также называемым «потенциометром».

В отличие от реостата, который служит для регулировки силы тока в цепи, потенциометр - это регулируемый делитель напряжения. Он имеет три вывода, центральный из которых является подвижным контактом. С помощью этого контакта можно регулировать напряжение между ним и остальными выводами, не меняя при этом силу тока.

2. Принцип работы потенциометра

По своему устройству потенциометр представляет собой резистивный делитель напряжения. Он состоит из последовательно соединенных резисторов, один из которых имеет переменное сопротивление. Этот резистор называется реохордом.

При подаче напряжения на выводы потенциометра, на реохорде создается падение напряжения, величина которого зависит от положения подвижного контакта (движка). Перемещая движок, можно регулировать напряжение между ним и любым другим выводом потенциометра.

Если использовать только один крайний вывод потенциометра и движок, то получится обычный переменный резистор. Такой резистор применяется для регулировки различных параметров схемы.

3. Устройство потенциометра

Основным элементом потенциометра, определяющим его переменное сопротивление, является реохорд. В качестве материала для изготовления реохорда используют:

• Манганиновую проволоку
• Константановую проволоку
• Слои металлических пленок
• Полупроводники

По конструкции реохорд может представлять собой:

1. Прямолинейную спиральную намотку проволоки
2. Намотку проволоки на тороидальное основание

По реохорду скользит подвижный контакт (движок), который жестко связан с ручкой управления потенциометром. Корпус потенциометра содержит клеммы для подключения в электрическую цепь.

4. Виды потенциометров

Существует несколько разновидностей потенциометров, которые различаются по ряду характеристик.

По числу оборотов регулировочного винта:

• Однооборотные
• Многооборотные (до нескольких десятков оборотов)

Многооборотные потенциометры обеспечивают более высокую точность регулировки.

По зависимости сопротивления от положения движка:

• Линейные
• Логарифмические (антилогарифмические)

По конструктивному исполнению:

• Открытые
• Закрытые (герметичные)
• Для печатного монтажа

Специальные:

• Высоковольтные
• Высокочастотные
• Терморезисторы (зависящие от температуры)

5. Области применения потенциометров

Потенциометры находят широкое применение в различных отраслях:

Бытовая электроника:

• Регулировка громкости, яркости, контрастности изображения
• Управление режимами работы различных устройств

Промышленность:

• Датчики перемещения, угла поворота
• Измерительные приборы

Медицинская техника:

• Регулировка параметров диагностической и лечебной аппаратуры

Музыкальное оборудование:

• Регулировка тембра и громкости инструментов
• Электрогитары, синтезаторы

Авиация и космонавтика:

• Системы управления и навигации летательных аппаратов

6. История изобретения потенциометра

Первый потенциометр был изобретен в 1841 году немецким физиком Иоганном Поггендорфом. В XIX веке потенциометры использовались в качестве точных вольтметров.

В качестве нуль-индикаторов первоначально применяли чувствительные гальванометры. В современных потенциометрах для этой цели используют электронные дифференциальные усилители.

Для создания опорного напряжения изначально использовались электрохимические источники, в частности стандартные элементы. Сейчас в этом качестве чаще применяют полупроводниковые стабилитроны и стабисторы.

В XX веке появились автоматические потенциометры на основе электромеханических следящих систем. Они нашли широкое применение в регистрирующих приборах.

7. Современное состояние и перспективы

В настоящее время в измерительной технике преобладают цифровые потенциометры, выполненные на основе специализированных интегральных микросхем. Аналоговые потенциометры по-прежнему используются в бытовой аудиоаппаратуре.

Дальнейшее развитие потенциометров связано с их миниатюризацией и повышением точности. В перспективе возможно применение потенциометров в наноэлектронике.

8. Конструкции современных потенциометров

Современные потенциометры могут иметь различную конструкцию в зависимости от области применения и требований к точности, надежности, условиям эксплуатации.

Проволочные и пленочные реохорды

В проволочных потенциометрах в качестве реохорда используется металлическая проволока, намотанная на каркас. В пленочных - реохорд выполнен из специальной пленки на диэлектрической подложке.

Однооборотные и многооборотные

В однооборотных потенциометрах полный ход движка происходит за один оборот ручки управления. В многооборотных - за несколько оборотов, что повышает точность регулировки.

Ручная и автоматическая регулировка

В простейших потенциометрах регулировка осуществляется вручную поворотом ручки. В автоматических применяются сервоприводы для точной подстройки параметров.

Герметичные и негерметичные

Герметичные потенциометры имеют закрытый корпус для защиты от внешних воздействий. Открытые потенциометры менее защищены.

9. Методы повышения точности

Для увеличения точности измерения и регулировки напряжения в потенциометрах используются различные методы:

• Применение многооборотных конструкций реохорда
• Использование высокостабильных резистивных материалов
• Термокомпенсация температурных дрейфов
• Экранирование от внешних электромагнитных полей
• Подавление термоэлектрических ЭДС в контактах
• Применение высокочувствительных нуль-индикаторов

Благодаря этим методам современные потенциометры могут иметь погрешность измерения порядка 0,001% и лучше.

10. Перспективы развития

Дальнейшее развитие потенциометров связано с рядом тенденций:

• Миниатюризация для применения в микроэлектронике
• Расширение функциональных возможностей
• Улучшение технических характеристик
• Оптимизация стоимости
• Разработка новых областей применения

Перспективным направлением являются цифровые потенциометры на основе микропроцессоров и ЦАП/АЦП. Они позволяют расширить функционал за счет программных алгоритмов обработки сигналов.

Потенциометр - важнейший электронный компонент, широко применяемый в различных областях благодаря функциям измерения и регулировки напряжения. Современные потенциометры отличаются разнообразием конструкций и высокой точностью. Дальнейшее развитие потенциометров будет направлено на расширение их возможностей на основе новых технологий.