Potencjometr – jak to działa?

Czym jest potencjometr?

Potencjometr to rezystancyjny (opierający swoje działanie o zjawisko oporu elektrycznego) dzielnik napięcia wyposażony w możliwość regulacji. Wyróżnia się potencjometry analogowe ze ścieżką oporową (umożliwiające płynną regulację) oraz potencjometry cyfrowe, które zbudowane są z wielu rezystorów (ten rodzaj pozwala na regulację w sposób skokowy).

Dzielnik napięcia

Dzielnik napięcia to urządzenie, dzięki któremu możliwe jest uzyskanie pożądanego stosunku między napięciem wejściowym U₁ a wyjściowym U₂. Proporcja uzyskanych wartości (stosunek U₁ do U₂)  nazywana jest współczynnikiem K_U – określa się go jako tak zwaną przekładnię dzielnika. Napięcie wyjściowe U₁ w dzielniku napięcia ma zawsze niższą wartość, niż napięcie wyjściowe U₂, a jego wartość jest zależna od napięcia zasilania oraz stosunku wartości wykorzystanych rezystorów. Można ją wyliczyć ze wzoru U₂ = [U₁ / (R + R₁)] R₁.

Potencjometr czy rezystor nastawny?

Zarówno potencjometr, jak i rezystor nastawny to nazwy tego samego elementu elektronicznego. Obydwie są poprawne i mogą być używane zamiennie, choć określenie rezystor nastawny jest nieco rzadziej spotykane, zwłaszcza w handlu. Czasami używa się również nazwy rezystor zmienny.

Budowa i działanie potencjometru

Podstawowy potencjometr posiada trzy wyprowadzenia, z czego dwa łączy ścieżka o stałej rezystancji. Trzecie (środkowe) wyprowadzenie łączy się ze ślizgaczem, którego ustawienie na ścieżce oporowej może być dowolnie regulowane. Zazwyczaj ślizgacz wyposażony jest w odpowiednią obudowę, dzięki której możliwe jest wygodne i bezpieczne regulowanie ustawienia na potencjometrze.

Jak to działa?

Przesunięcie ślizgacza powoduje zmianę stosunku wartości rezystancji R (między pierwszym a drugim wyprowadzeniem) do wartości rezystancji R₁ (między drugim a trzecim wyprowadzeniem) i, co za tym idzie, zmianę napięcia wyjściowego (wynika to z podanego wyżej wzoru na napięcie wyjściowe w rezystancyjnym dzielniku napięcia). Im wyższa wartość rezystancji opornika R₁, tym mniejsza różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym.

Uwaga!

Warto pamiętać, że konkretne potencjometry przeznaczone są do pracy z określonymi wartościami napięcia i natężenia prądu elektrycznego – przekroczenie ich może spowodować nieodwracalne uszkodzenie elementów.

Podział potencjometrów

Poszczególne potencjometry różnią się od siebie budową, sposobem obsługi i innymi parametrami, które warunkują ich cechy (na przykład możliwe zastosowanie, precyzyjność czy wytrzymałość).

Ze względu na budowę

Podstawowy podział potencjometrów ze względu na ich budowę wyróżnia elementy analogowe (ze ścieżką oporową) oraz cyfrowe (wyposażone w wiele rezystorów). Warto pamiętać, że oba rozwiązania cechują się różnymi właściwościami użytkowymi oraz posiadają zarówno zalety, jak i wady.

Potencjometry analogowe

Potencjometry analogowe posiadają ścieżkę oporową, którą wykonuje się z tworzywa sztucznego, węgla, zwojów drutu oporowego lub spieku ceramiczno-metalowego. Zmiana położenia ślizgacza powoduje zmianę stosunku rezystancji między opornikami, co prowadzi do zmiany wartości napięcia wyjściowego. Zaletą potencjometrów analogowych jest możliwość płynnego regulowania proporcji między dwiema wartościami oporu, dzięki czemu można w dowolny sposób regulować napięcie (w umożliwianym przez dany element zakresie). Wadą (zwłaszcza w przypadku tańszych, gorzej wykonanych modeli) są zakłócenia i trzeszczenie, które mogą występować podczas zmian ustawień potencjometru.

Potencjometry cyfrowe

Potencjometry cyfrowe wyposażone są w szereg rezystorów i przełączników CMOS, a także logiczny układ sterujący oraz elektroniczny licznik. Odpowiednie zaprogramowanie układu sterującego pozwala na dostosowywanie uwzględnianej wartości rezystancji, a w związku z tym – regulowanie napięcia wyjściowego. Rezystory mogą mieć równą lub różną (na przykład rosnącą) wartość oporności. Zaletą cyfrowych potencjometrów jest brak szumów i trzasków, które zdarzają się w potencjometrach analogowych. Możliwe jest również uzyskanie pełnej powtarzalności ustawień. Potencjometry cyfrowe posiadają jednak ograniczone możliwości zmiany nastawy.

Ze względu na sposób obsługi

Choć sposób obsługi nie wpływa w znaczącym stopniu na podstawowe działanie potencjometru, warunkuje on wygodę użytkowania elementu w konkretnych zastosowaniach. Warto jest skorzystać z tej wiadomości przed wyborem potencjometru do projektowanych urządzeń, ponieważ może to znacząco poprawić (lub pogorszyć) ich funkcjonalność. 

Przykład

Na precyzyjnym mikserze koncertowym przeznaczonym do sterowania nagłośnieniem wydarzeń muzycznych na żywo łatwiej będzie wykorzystać potencjometry suwakowe. Umożliwią one dokładne kontrolowanie parametrów dźwięku przy jednoczesnym wizualnym odwzorowaniu poszczególnych ustawień, co pozwala na szybkie reagowanie i dostosowywanie ustawień na bieżąco. Skorzystanie z potencjometrów suwakowych jest po prostu wygodne – mimo że pod względem technologicznym równie dobrze sprawdziłyby się precyzyjne, wieloobrotowe potencjometry obrotowe. 

Potencjometry suwakowe

W potencjometrze suwakowym ścieżka oporowa stanowi linię prostą, a ślizgacz przesuwa się po niej pionowo lub poziomo. Jest bardzo intuicyjny, ponieważ położenie suwaka stanowi jednoczesne wizualne odwzorowanie regulowanego parametru. Zajmuje jednak więcej miejsca, niż potencjometr obrotowy, dlatego stosuje się go przede wszystkim w urządzeniach, gdzie miniaturyzacja nie jest priorytetem.

Potencjometry obrotowe (osiowe)

Potencjometry obrotowe mają zazwyczaj postać gałki ze wskaźnikiem. Na obudowie urządzenia wyposażonego w taki potencjometr znajduje się zwykle podziałka, dzięki której możliwe jest dokonanie pożądanej nastawy. Zajmuje niewiele miejsca, dlatego z powodzeniem wykorzystuje się go w urządzeniach, w których oszczędność przestrzeni gra dużą rolę.

Potencjometr obrotowy a przełącznik wielopozycyjny obrotowy

Obrotowy przełącznik wielopozycyjny (na przykład taki, jaki pozwala na ustawienie pożądanego programu w pralce) może wizualnie kojarzyć się z potencjometrem obrotowym. Jednak zasada działania obydwu elementów jest inna – potencjometr obrotowy steruje napięciem przy pomocy kontroli rezystancji, natomiast przełącznik wielopozycyjny obrotowy (podobnie jak każdy inny przełącznik) powoduje zamykanie i otwieranie obwodów elektrycznych w różnych konfiguracjach.

Ze względu na charakterystykę zmiany rezystancji

Potencjometry można podzielić również ze względu na następujące wraz ze zmianą pozycji ślizgacza zmiany rezystancji.

Potencjometry liniowe

W potencjometrach liniowych wzrost rezystancji jest proporcjonalny do zmiany położenia ślizgacza. W przypadku elementów cyfrowych wiąże się to z równą wartością wszystkich rezystorów znajdujących się wewnątrz. Potencjometry liniowe oznaczane są zazwyczaj literą A.

Potencjometry logarytmiczne

W potencjometrach logarytmicznych wzrost rezystancji ma charakter logarytmiczny (czyli najpierw rośnie szybko, a potem coraz wolniej). Potencjometry liniowe oznaczane są zazwyczaj literą B.

Praktyczne zastosowanie potencjometrów logarytmicznych

Potencjometry logarytmiczne są wykorzystywane do sterowania głośnością w urządzeniach audio. Dzieje się tak, ponieważ czułość słuchu również ma charakter logarytmiczny, dlatego takie właśnie zgłaśnianie dźwięku odbieramy jako równomierne.

Potencjometry wykładnicze

W potencjometrach wykładniczych wzrost rezystancji ma charakter wykładniczy (czyli najpierw powiększa się ona powoli, a potem coraz szybciej). Potencjometry wykładnicze oznacza się zazwyczaj literą B.

Ze względu na inne właściwości i funkcje

Podziału potencjometrów można dokonać ze względu na wiele parametrów. Elementy te mogą być również wyposażone w dodatkowe funkcje, dzięki którym lepiej sprawdzają się w konkretnych zastosowaniach. 

Potencjometry z wyłącznikiem

W potencjometrach z wyłącznikiem na skrajnym końcu ścieżki znajduje się przełącznik, który pozwala na całkowite odcięcie zasilania. Takie rozwiązanie często wykorzystywane jest w radiach, gdzie ściszenie urządzenia do zera powoduje równocześnie jego wyłączenie.

Potencjometry wieloobrotowe (precyzyjne)

Przełączniki wieloobrotowe stosuje się w miejscach, gdzie potrzebna jest duża precyzja nastawy (na przykład maszynach przemysłowych). By uniknąć tworzenia elementu o bardzo dużych rozmiarach, stosuje się przełączniki z możliwością wykonania więcej niż jednego obrotu.

Potencjometry montażowe

Potencjometry montażowe nie są zwykle wyposażone w obudowę oraz w zewnętrzną oś (na której zazwyczaj umieszcza się gałkę do regulowania ustawień). Stosuje się takie rozwiązanie, ponieważ wykorzystuje się je najczęściej w sytuacjach występujących jednorazowo lub bardzo rzadko (na przykład podczas kalibrowania sprzętu elektronicznego lub uruchamiania go po raz pierwszy). Zazwyczaj do dokonania pożądanej nastawy potrzebne jest użycie śrubokrętu.

Potencjometry sprzężone

Potencjometr sprzężony stanowi tak naprawdę dwa potencjometry kontrolowane przy pomocy jednego elementu. Dobrym przykładem mogą być na przykład głośniki stereo, gdzie regulacja procentowego obciążenia obu głośników jest dokonywana przy pomocy pojedynczej gałki (pozycja “zero” oznacza proporcję 1:1).

Zastosowanie potencjometrów

Potencjometry znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach. Wykorzystuje się je między innymi w sprzęcie audio

Sprzęt audio oraz instrumenty muzyczne

W urządzeniach audio, takich jak wieże, głośniki, wzmacniacze instrumentalne, kolumny, instrumenty elektryczne, miksery czy przystawki nagłaśniające, potencjometry wykorzystuje się do regulacji głośności, ustawiania proporcji między częstotliwościami niskimi i wysokimi czy do kontrolowania natężenia dźwięku w poszczególnych elementach instalacji stereo. W tych zastosowaniach wykorzystuje się zarówno potencjometry analogowe, jak i cyfrowe.

Ściemniacze do instalacji oświetleniowej

Przy pomocy odpowiednio dobranego potencjometru możliwe jest również regulowanie intensywności oświetlenia. W najprostszym wariancie element ten zostaje zamontowany między źródłem zasilania (na przykład przewodem podłączonym do gniazdka elektrycznego) a źródłem światła (na przykład lampą wyposażoną w żarówkę). Zmniejszanie i zwiększanie wartości oporu na potencjometrze powoduje intensyfikację lub osłabienie strumienia światła. Takie rozwiązanie, choć wymaga różnej konstrukcji i różnych wartości prądowych, może zostać zastosowane w każdej instalacji oświetleniowej, w której intensywność światła zależy od dostarczanej mocy – czyli na przykład w diodach LED czy tradycyjnych żarówkach wolframowych.

Regulacja prędkości obrotowej silników

Potencjometry stosuje się również do regulowania prędkości obrotowej w silnikach elektrycznych – na przykład takich, jakie wykorzystuje się w tramwajach. Dzięki temu możliwe jest wygodne regulowanie intensywności pracy silnika umieszczonego w urządzeniu (na przykład prędkości pojazdu).

Parametry potencjometru

Wybór odpowiednich parametrów potencjometru pomaga dopasować element do planowanego zastosowania. Oto niektóre z cech i właściwości, na które warto zwrócić uwagę podczas wybierania potencjometru do swoich projektów:

Typ

Potencjometry analogowe pozwalają na bardziej precyzyjną kontrolę nastaw, jednak szybciej się zużywają i są stosunkowo podatne na zakłócenia. Natomiast potencjometry cyfrowe posiadają ograniczenia pod względem ilości możliwych ustawień, jednak są mniej awaryjne i nie powodują niepożądanych efektów dźwiękowych podczas regulowania nastawy.

Budowa i sposób obsługi

Jeżeli szukasz elementu zastępczego, zazwyczaj wiesz już, czy będzie to potencjometr obrotowy, czy suwakowy. Jednak w przypadku tworzenia projektu od zera warto się zastanowić, które rozwiązanie będzie wygodniejsze i bardziej praktyczne. Zwróć też uwagę, czy element ma być obsługiwany tylko przez osobę wykwalifikowaną, na przykład serwisanta, czy przez użytkownika. W pierwszym przypadku lepszy będzie potencjometr montażowy, natomiast w drugim – element wyposażony w możliwość łatwej zmiany nastaw.

Charakterystyka i wartość rezystancji

Potencjometry o różnej charakterystyce i wartości oporu są stosowane w różnych sytuacjach – obydwa parametry powinny być dostosowane do planowanego wykorzystania danego elementu. Natomiast w przypadku poszukiwania części zastępczych do gotowego sprzętu najlepiej jest sprawdzić, jaki potencjometr został oryginalnie zamontowany przez producenta, i wykorzystać ten sam model lub jego zamiennik.

Uwaga!

Standardowo potencjometry liniowe oznacza się literą A, logarytmiczne – literą B, a wykładnicze – literą C. Jednak te oznaczenia mogą różnić się w zależności od producenta danego modelu, dlatego przed zakupem konkretnego produktu zawsze warto zapoznać się z jego opisem katalogowym.

Dopuszczalne obciążenie ścieżki oporowej

Dopuszczalne obciążenie prądowe ścieżki oporowej warunkuje nie tylko prawidłowe działanie potencjometru, ale również jego trwałość. To szczególnie ważne w przypadku precyzyjnych projektów, gdzie nie można sobie pozwolić na wystąpienie usterek. Warto uważnie kontrolować ten parametr również w sytuacji, gdy stosowane potencjometry są bardzo niewielkie – często są one wrażliwe nawet na przekroczenie dopuszczalnych wartości prądu o wielkości rzędu kilku miliamperów.

Tolerancja rezystancji

Tolerancja rezystancji w potencjometrach ma podobne znaczenie, jak w zwykłych (nieregulowanych) rezystorach, jednak jej wartość – ze względu na charakter elementu – jest zazwyczaj wyższa i nawet w wysokiej jakości sprzęcie może wynosić kilkanaście lub kilkadziesiąt procent.

Ilość możliwych nastaw

Jest to parametr, który występuje wyłącznie w potencjometrach cyfrowych i jest zależny od liczby wykorzystanych do ich budowy rezystorów. Potencjometry precyzyjne mogą osiągać ilości możliwych nastaw liczone w tysiącach, co sprawia, że skokowość zmiany ustawień staje się niemal niezauważalna.

Dodatkowe funkcje

Potencjometry wyposażone w dodatkowe funkcje, na przykład umieszczony na końcu przełącznik, pozwalają na ułatwienie użytkownikowi obsługi wyposażonych w nie urządzeń oraz zmniejszenie liczby elementów potrzebnych do sterowania sprzętem. Pomaga to zwiększyć komfort użytkowania i zaoszczędzić miejsce. Innymi ważnymi parametrami są szczelność (określana jako stopień ochrony IP) czy możliwość sterowania więcej niż jednym potencjometrem przy pomocy tego samego elementu.

Odpowiedni osprzęt

Potencjometry często sprzedawane są z potrzebnymi akcesoriami, na przykład montowaną na osi potencjometru obrotowego gałką. Warto zwrócić uwagę na praktyczne zagadnienia związane z zastosowaniem poszczególnych rozwiązań w danym projekcie: na przykład potencjometr obrotowy o stopniu szczelności IPX8, przeznaczony do zastosowania w łazience, powinien być wyposażony w gałkę o powierzchni umożliwiającej wygodne manipulowanie ustawieniami nawet w momencie, gdy użytkownik ma mokre ręce.