Потенциометры, назначения, параметры и характеристики

Прецизионный потенциометр - это регулируемый омический делитель напряжения, коэффициент деления которого с большой степенью точности является функцией угла поворота оси или, точ­нее, функцией положения подвижного контакта (движка) относи­тельно резистивного элемента. По существу прецизионный потенцио­метр представляет собой электромеханический преобразователь, входная величина которого механическая угол - поворота оси, а выходная электрическая коэффициент деления, т. е. отношение выходного сопротивления или на напряжения к входному.

Электрическая схема потен­циометра приведена на рис.7.

Рис.7. Электрическая схема включения потенциометра.

К крайним выводам резистивно­го элемента (точки 1 и 2) при­ложено напряжение питания U_BХ. Выходное напряжение U_ВЫХ сни­мается с участка между подвиж­ным контактом 3 и одним из край­них выводов (точка 1 или 2).

При ненагруженном потенциометре величина U_ВЫХ определяется по формуле

,

где R_П - полное сопротивление потенциометра между точками 1 и 2; R_x - сопротивление участка потенциометра между точками 2 и 3. Так как R_x зависит от положения подвижного контакта 3, то и U_ВЫХ является функцией положения подвижного контакта.

Резистивное устройство, включенное по схеме, приведенной на рис.7, называют омическим делителем напряжения, так как сни­маемое с участка сопротивления R_x напряжение U_ВЫХ является частью общего напряжения.

От переменных резисторов (потенциометров общего применения) прецизионный потенциометр отличается высокой точностью воспроизведения функциональной характеристики - зависимости коэффи­циента деления от угла поворота оси. Если для переменных рези­сторов точность воспроизведения функциональной характеристики лежит в пределах ±(10—20)%, а в ряде случаев вообще не 'нор­мируется, то для потенциометров она может достигать ±(0,01—1) % в зависимости от вида резистивного элемента, размеров потенциометра, его номинального сопротивления и вида функциональной характеристики. Другой особенностью потенциометров является их высокая износоустойчивость - десятки миллионов поворотов оси; для переменных резисторов износоустойчивость не превышает не­скольких десятков тысяч поворотов оси.

Потенциометры широко применяют в дистанционно - измерительных системам, системах автоматики и вычислительной технике. В дистанционно-измерительных системах их применяют в качестве первичных преобразователей (датчиков) углов поворота и переме­щений в электрическое напряжение, а в компенсационных системах дистанционной передачи углов, кроме того, еще и в качестве прием­ных элементов (приемников). В системах автоматики потенциометры применяют в качестве элементов обратной связи следящих систем, а в аналоговых вычислительных устройствах — в качестве линейных и нелинейных элементов счетно-решающих устройств.

Многообразие задач, решаемых при их помощи, привело к соз­данию потенциометров различного вида. Потенциометры принято классифицировать по материалу резистивного элемента, по виду зависимости коэффициента деления от угла поворота оси и по конструктивному исполнению.

В зависимости от материала резистивного элемента потенцио­метры разделяются на проволочные, пластиковые, пленочные, фото­электрические, жидкостные и керметные. Основные данные потен­циометров различных видов приведены в табл. 1.

Проволочный потенциометр представляет собой намотку про­волоки из специальных резистивных сплавов на изолированном каркасе, по которой перемещается подвижный токосъемный кон­такт. Проволочные потенциометры лучше всего технологически от­работаны, они имеют самую высокую точность функциональной характеристики, малое переходное сопротивление, низкий уровень э. д. с. шумов и меньшие величины температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Использование прецизионных металлов и сплавов для намоточных проводов и подвижной контактной системы и высокая точность изготовления позволяют создать потенциометры с высокой стабильностью воспроизведения функциональной харак­теристики. Однако проволочным потенциометрам присущ ряд недо­статков, обусловленных применением намотанного из проволоки резистивного элемента:

- ограниченная разрешающая способность из-за неплавного (ступенчатого) изменения выходного напряжения при перемещении подвижного контакта с витка на виток;

– ограниченная скорость вращения (до 100–200 об./мин) вследствие вибраций движка при переходе с витка на виток и по­вышении при этом уровня динамического шума;

– сравнительно малая износоустойчивость (до 1–10 млн. по­воротов оси);

– ограниченная величина сопротивления (до десятков килоом);

– ограниченная возможность применения на переменном токе (до 1 кГц), обусловленная индуктивностью и емкостью намотки.

Рас реи*, задач, решаемых с помощью потенциометров, и возросшие требования к параметрам потенциометров привели к соз­данию непроволочных прецизионных потенциометров с пленочными и объемными резистивными элементами на основе проводящей пластмассы (пластиковые).

Преимущество непроволочных потенциометров заключается в том, что они обеспечивают высокую разрешающую способность и большой срок службы. Исключительно росная и однородная по структуре поверхность резистивного элемента обеспечивает значи­тельное снижение уровня динамических шумов потенциометра, свя­занных с вибрацией подвижного контакта, по сравнению с прово­лочными потенциометрами и возможность работы при скоростях до 1000 об./мин при износоустойчивости несколько миллионов поворотов (30—50 млн.). Малая индуктивность и емкость и еп ров о л очных по­тенциометров позволяют использовать их на высоких частотах. Однако у них значительно ниже точность и хуже климатическая стабильность по сравнению с проволочными потенциометрами, боль­шой ТКС и большое переходное сопротивление, величина которого изменяется при перемещении подвижного контакта вдоль резистивного элемента.

Резистивный элемент пленочных потенциометров выполняют на­пылением металлов, их окислов или другого проводящего материала на изолирующее (чаще всего на стеклянное; или керамическое) основание. Главным их достоинством является высокий предел максимальной рабочей температуры. По точности характеристики пленочные потенциометры уступают только проволочным. К их недостаткам можно отнести большое переходное сопротивление и большой ТКС.

Фотоэлектрический потенциометр имеет резистивный и проводя­щий слои, расположенные рядом на изолирующей подложке и раз­деленные полупроводниковым слоем. Под действием пучка света, падающего на полупроводниковый разделительный' слой, в нем об­разуются фотоэлектроны, и соответствующий участок резистивного элемента электрически соединяется с проводящим слоем. При пере­мещении светового зонда изменяется коэффициент деления потен­циометра. Основным преимуществом фотопотенциометра является отсутствие подвижного трущегося контакта, что позволяет достичь большой износоустойчивости. Кроме того, с помощью фотопотенцио­меров можно без промежуточных преобразований определять положение объекта относительно источника света, например с приме­нением фото потенциометров, существенно упрощается ориентация солнечных батарей. К недостаткам фотопотенциометров можно от­нести невысокую точность воспроизведения функциональной харак­теристики температурную нестабильность, большое переходное сопротивление и небольшую мощность рассеяния.

Жидкостные потенциометры, у которых в качестве резистивного Элемента используют жидкость, находятся в стадии разработки.

Резистивный элемент керметных потенциометров выполняют спеканием смеси стекла с порошком окиси палладия, серебра или золота и органическим пластификатором. В настоящее время эти потенциометры находятся в стадии разработки и можно ожидать, что их свойства будут близки к свойствам пластиковых потенцио­метров.

Кроме указанных видов потенциометров ведутся разработки по созданию потенциометров с использованием новых физических

принципов: эффекта Холла, МДП - структур, электрохимических яв­лений и др.

Следует отметить, что ни один из видов потенциометров не может полностью заменить другой, так как каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, а следовательно, и свою область применения.

Проволочные потенциометры — исторически наиболее ранний вид, технология их изготовления хорошо освоена, в нашей стране они наиболее широко распространены. Другие виды потенциометров разработаны и разрабатываются с целью устранения некоторых недостатков проволочных потенциометров и расширения области применения потенциометров. Однако разработка новых видов по­тенциометров не привела к сокращению производства проволочных потенциометров. Ситуация здесь подобна той, которая имеет место в производстве электромеханических реле. Несмотря на разработку и освоение массового выпуска транзисторов, тиристоров, динисторов и других бесконтактных переключающих устройств, выпуск электромеханических реле не только не сокращается, но из года в год увеличивается.

Областями применения проволочных потенциометров являются и, по-видимому, останутся наиболее точные и высокостабильные системы, работающие в среднем диапазоне рабочих температур. В менее точных системах проволочные потенциометры могут быть вытеснены и вытесняются пластиковыми. При высоких температу­рах успешно применяют пленочные потенциометры. Областями при­менения фотопотенциометров являются маломощные системы отно­сительно невысокой точности с высокой износоустойчивостью, а также специальные системы со световым входным сигналом. Применение других видов потенциометров определяется по мере освоения и выявления всех их достоинств и недостатков.

В настоящей брошюре основное внимание уделяется проволоч­ным потенциометрам, так как они наиболее широко применяются, По другим видам потенциометров приводятся только краткие све­дения общего характера.

По виду функциональной характеристики потенциометры раз­деляют на линейные и функциональные.

По конструктивному исполнению потенциометры разделяют на:

- одинарные и блочные (многоэлементные);

- с вращательным и с поступательным перемещением подвиж­ного контакта;

- однооборотные, многооборотные и стержневые;

- с неограниченным и ограниченным рабочим углом. Данная классификация потенциометров приведена на рис.8.

Одинарный потенциометр имеет один резистивный элемент и одну токосъемную систему, блочные - несколько резистивных эле­ментов (однооборотные до десяти, многооборотные до пяти). Мно­гоэлементные потенциометры выполняют в виде отдельных элемен­тов (модулей), нужное число которых собирается в блок потребителем, или в виде собранного на заводе-изготовителе блока, который не подлежит разборке на отдельные элементы. Многоэле­ментные потенциометры, собираемые в блоки потребителем, особенно удобны при выполнении исследовательских и экспериментальных работ на стадии разработки системы. Блочные потенциометры, более точные и надежные, предпочтительнее для серийно изготовляемых систем.

Потенциометры с вращательным перемещением подвижной си­стемы могут быть одно - и многооборотными, потенциометры с по­ступательным перемещением движка - стержневые. Однооборотные потенциометры имеют кольцевой резистивный элемент, по которому перемещается один или несколько подвижных контактов в пределах рабочего угла, меньшего или равного 360°. Однооборотными могут быть потенциометры с любым видом резистивного элемента. Ре­зистивный элемент многооборотного потенциометра свернут в спи­раль. Его подвижный контакт совершает одновременно вращатель­ное и поступательное движение. Многооборотными могут быть про­волочные и пленочные потенциометры.

Рис.8. Классификация потенциометров.

Стержневые потенциометры имеют резистивный элемент в виде стержня, вдоль которого прямолинейно перемещается подвижный контакт. Их габариты сравнительно велики. Стержневыми могут быть потенциометры с любым видом резистивного элемента, однако они не нашли широкого применения, так как одно- и многооборот­ные потенциометры тех же габаритов превосходят их по точности воспроизведения характеристики.

Однооборотные потенциометры могут быть с неограниченным (круговые без ограничительных упоров) или с ограниченным (с упорами) рабочим углом, многооборотные и стержневые - только с ограниченным рабочим углом (для стержневых - рабочий ход).

Кроме того, в зависимости от способа креплёная нa панели устройства или блока аппаратуры потенциометры разделяют на крепящиеся за резьбовую втулку, за фланец или корпус и с при­менением вспомогательных деталей (зажимов, прихватов и др.). Последний вид крепления более предпочтителен, так как позволяет точнее установить (выставить) начальное положение корпуса отно­сительно оси и регулировать его в процессе наладка системы.

Потенциометры можно также классифицировать по материалу резистивного элемента, по величине мощности рассеяния, по виду функциональной характеристики и т. п. Эта классификация потен­циометров не отличается в принципе от соответствующей класси­фикации переменных резисторов.