Den kompletta guiden till potentiometrar

Potentiometrar, ofta kallade "potar", är grundläggande komponenter inom elektroniken. Dessa mångsidiga enheter spelar en avgörande roll för att styra och mäta elektriska signaler och utgör ett dynamiskt gränssnitt mellan kretsar och den fysiska värld som de interagerar med. Potentiometrar används i en mängd olika tillämpningar, från ljudsystem till robotteknik, vilket gör dem till en oumbärlig tillgång inom området.

Artikeln kommer att utforska potentiometrar ytterligare, med utgångspunkt i deras grundläggande principer, konstruktion och inre funktion. Därefter diskuteras de olika typer av potentiometrar som finns tillgängliga, skillnaderna mellan potentiometrar, reostater och kodare samt viktiga överväganden och specifikationer för konstruktionen.

Grundläggande om potentiometrar

Potentiometrar är resistorbaserade komponenter med en mekanisk justeringsmekanism som möjliggör manuell ändring av resistansen. Till skillnad från fasta resistorer som bibehåller ett konstant resistansvärde, fungerar potentiometrar som variabla resistorer.

Enheterna fungerar som spänningsdelare och har det dubbla syftet att justera spänningsutgången i en krets och noggrant mäta elektrisk potential, därav deras beteckning som potentiometrar. Genom att justera glidkontaktens position längs det resistiva elementet genererar potentiometrar en kontinuerligt variabel utspänning. Det är viktigt att notera att potentiometrar är passiva komponenter, vilket innebär att de inte behöver någon strömförsörjning eller ytterligare kretsar för att fungera.

Bild 1: Typisk inre funktion i en vridpotentiometer. (Bildkälla: Same Sky)

Resistansen hos ett föremål beror på olika faktorer, och en viktig faktor är dess längd. När alla andra parametrar är konstanta är resistansen hos ett föremål direkt proportionellt mot dess längd. Det innebär att ett föremål som är tillverkat av samma material och har samma tvärsnittsarea, men som är 20 cm, kommer att uppvisa hälften så stor resistans som ett föremål som är 40 cm. Potentiometrar utnyttjar denna princip för att uppnå en justerbar utgång.

En potentiometers justerbara utgång uppnås genom att man ändrar den linjära eller vridbara positionen för en glidkontakt längs ett element med enhetlig resistans och därigenom ändrar den väg genom vilken strömmen flödar. Inspänningen appliceras över hela det resistiva elementets längd, medan utspänningen erhålls som potentialfallet mellan det fasta resistiva elementet och den glidande eller vridbara kontakten. Den rörliga kontaktens position längs det resistiva elementet avgör i vilken utsträckning inspänningen appliceras i kretsen.

Det är värt att notera att potentiometrar normalt inte används för att direkt reglera effekter som överstiger en watt. Denna begränsning beror på att själva enheten måste avleda den tillförda effekten, vilket leder till överdriven värmeutveckling. Potentiometrar används istället för att justera analoga signaler som används av andra komponenter för att reglera effekten. En vanlig ljusdimmer använder en potentiometer för att styra en TRIAC (triod för växelström), som i sin tur varierar lampans ljusstyrka.

Typer av potentiometrar

Potentiometrar finns i två huvudsakliga utföranden: analoga och digitala. Artikeln fokuserar primärt på analoga potentiometrar som bygger på mekaniska element för reglering och styrning av utgången. Analoga potentiometrar kategoriseras vidare i linjära och vridbara format.

Vridpotentiometrar utnyttjar vinkelrörelse som underlättas av ett vred och en axel som är ansluten till en glidkontakt. Denna glidkontakt glider längs det resistiva elementet, och möjliggör förändringar i resistansen och därigenom justeringar av utgången. Genom att vrida axeln kan resistansen och effekten varieras i enlighet med detta. Det finns dessutom potentiometrar utan axel, där glidkontakten flyttas med med hjälp av ett externt verktyg, t.ex. en skruvmejsel, vilket eliminerar behovet av en fysisk axel. Dessa kallas vanligen trimpotentiometrar.

Å andra sidan använder linjära potentiometrar en linjär eller rak rörelse genom en glidmekanism för att skapa kontakt med det resistiva elementet. Denna linjära rörelse gör det möjligt att variera resistansen och därigenom justera utgången.

Bild 2: Jämförelse mellan linjära potentiometrar och vridpotentiometrar. (Bildkälla: Same Sky)

Till skillnad från analoga potentiometrar använder digitala eller elektroniska potentiometrar digitala signaler för att styra utgången, vilket eliminerar behovet av mekanisk rörelse.

Potentiometrar kontra reostater och kodare

Den huvudsakliga skillnaden mellan en potentiometer och en reostat ligger i det avsedda användningsområdet och anslutningskonfigurationerna. En potentiometer är en enhet med tre anslutningar som främst används för spänningsreglering, medan en reostat är en enhet med två anslutningar som är avsedd för strömreglering. Det är dock värt att notera att potentiometrar kan användas som reostater om man lämnar en anslutning fri.

Reostater är däremot särskilt konstruerade för att reglera strömflödet i en krets. De har vanligtvis två anslutningar och kännetecknas av hög effekt och en trådlindad konstruktion. Reostater används ofta i tillämpningar med höga strömmar för att styra strömflödet till enheter som lampor och motorer. De innehåller spolar av kraftig tråd som möjliggör stegvisa förändringar av resistansen genom att justera glidelementets position längs det resistiva elementet. Till skillnad från potentiometrar specificeras reostater baserat på deras förmåga att hantera effekt snarare än deras resistiva värde.

Bild 3: Kretsscheman för potentiometer och reostat. (Bildkälla: Same Sky)

När det sedan gäller en roterande kodare och en potentiometer kan de båda känna av en axels vridning, men de arbetar enligt olika principer, har varierande komplexitetsnivåer och kräver olika inställningar. Följande beskriver skillnaderna mellan de två enheterna:

1. Funktionsprincip:
   • Potentiometrar: Potentiometrar är i första hand analoga enheter, även om det finns digitala varianter. De förlitar sig på förändringen i resistans när axeln vrids för att indikera position eller justera spänningsnivåer.
   • Roterande kodare: Rotationskodare är digitala enheter som använder binär logik för att koda och överföra en axels vinkelposition eller rörelse som en digital signal. De använder vanligtvis kapacitiva, optiska eller magnetiska avkänningstekniker.
2. Komplexitet i konfigurationen:
   • Potentiometrar: Potentiometrar har i allmänhet enklare installations- och anslutningsprocesser. De kan enkelt integreras i kretsar utan något behov av komplicerad signalbehandling.
   • Roterande kodare: Eftersom rotationskodaren är en digital enhet krävs ytterligare kretsar, t.ex. komponenter för signalbehandling, avkodning och gränssnitt, för att bearbeta och tolka den digitala utsignalen.
3. Inspänningsområde och upplösning:
   • Potentiometrar: Potentiometrar möjliggör en oändligt variabel inspänning tack vare sin analoga natur. De har ett jämnt och kontinuerligt värdeintervall, vilket möjliggör exakt styrning. De kan även dela spänningen på ett icke-linjärt sätt, för att ge anpassade svarskurvor.
   • Roterande kodare: Roterande kodare kan vridas kontinuerligt och ger återkoppling med utmärkt upplösning. De har exakt information om position eller rörelse i digitalt format, vilket möjliggör högupplöst styrning och återkoppling. De är särskilt fördelaktiga i tillämpningar som kräver exakt motorstyrning eller positionsnoggrannhet.
4. Överväganden i tillämpningar:
   • Potentiometrar: Potentiometrar används ofta i tillämpningar som kräver analog styrning, t.ex. volymjustering i ljudsystem eller finjustering i kalibreringsprocesser.
   • Roterande kodare: Roterande kodare används inom industri, automation och robotteknik där exakt digital återkoppling, hög upplösning och noggrann positionsavkänning är avgörande. De utmärker sig i motorstyrsystem och tillämpningar som kräver exakta vinkelmätningar.

Avsmalnande potentiometrar

En potentiometers avsmalning avser hur resistansen ändras när enhetens armatur vrids eller glidkontakten glider längs det resistiva elementet. Det finns två huvudsakliga typer av avsmalning för potentiometrar: linjär och logaritmisk (även känd som ljudavsmalning).

I potentiometrar med linjär avsmalning är förhållandet mellan armaturens position och resistansen linjärt. Detta innebär att när armaturen eller glidkontakten befinner sig i sitt mittläge är den variabla resistansen hälften av potentiometerns hela resistans. Linjära avsmalnande potentiometrar ger en jämn förändring av resistansen i hela rörelseområdet.

Potentiometrar med logaritmisk avsmalning ger en icke-linjär respons som efterliknar det mänskliga örats logaritmiska känslighet för ljud. Denna avsmalning används ofta i ljudutrustning, t.ex. för volymkontroller, för att uppnå en mer balanserad uppfattning av volymjusteringen. Med en logaritmisk avsmalning ger små förändringar i början av vridningen större volymförändringar, medan större förändringar i slutet av vridningen ger mindre volymjusteringar. Dessutom finns omvända logaritmiska potentiometrar, som främst används i ljudkontroller som fungerar moturs.

Andra viktiga specifikationer

Här följer några andra viktiga parametrar att överväga vid val av potentiometer:

• Resistans: representerar resistansen över hela det resistiva elementets längd, från en anslutning till den andra. Om en potentiometer exempelvis är märkt med 2 kΩ, betyder det att resistansen över dess spår motsvarar en fast resistans på 2 kΩ.
• Nominell effekt: Den maximala effekten anger hur mycket effekt en potentiometer kan hantera för att förhindra överhettning eller fel.
• Upplösning: avser potentiometerns noggrannhet i form av dess inkrementella förändringar i resistans. Den uttrycks vanligen som en procentandel av den totala resistansen och representerar den minsta detekterbara förändringen i resistansen per stegvis rörelse av glidkontakten på det resistiva elementet.
• Glidljud: det elektroniska ljud som uppstår när potentiometerns interna kontaktdelar förflyttas. Detta brus kan störa noggrannheten hos den önskade signalen eller skapa oönskade artefakter.
• Temperaturkoefficient: anger hur potentiometerns resistans kan förändras med variationer i driftstemperaturen. Potentiometrar med lägre temperaturkoefficient har stabilare resistansvärden i ett brett temperaturområde, vilket garanterar konsekvent prestanda i olika termiska förhållanden.
• Mekanisk livslängd: potentiometerns förväntade livslängd i form av antalet cykler som den kan utstå och ändå bibehålla sina prestandaspecifikationer.

Sammanfattning

Potentiometrar har en rad fördelar, t.ex. enkel konstruktion, prisvärdhet, brett resistansområde, enkel användning och beprövad teknik. De fungerar som tillförlitliga enheter för spänningsreglering, mätning och exakt avkänning av linjära eller roterande rörelser i elektroniska och elektriska system. Det är dock viktigt att beakta deras begränsningar, t.ex. begränsad bandbredd, strömhanteringsförmåga, mekaniskt slitage och potentiell generering av elektriskt brus.

Med detta sagt, beror den utbredda användningen på deras tillförlitlighet och förmåga att tillgodose olika krav. Same Sky har ett omfattande sortiment med vridpotentiometrar och trimpotentiometrar för att tillgodose de specifika behoven i olika projekt.