Потенциометр – все, что нужно знать о плавной регулировки напряжения.

Потенциометр представляет собой устройство, которое у большинства из нас ассоциируется с ручкой регулировки громкости, выступающей из радиоприемника. Сегодня, в эпоху цифровых схем потенциометр используется не слишком часто.

Однако это устройство имеет особый шарм и он не заменим там, где необходима плавная „аналоговая” регулировка. Например, если вы играете на игровой консоли с gamepad. В gamepad есть аналоговые ручки, которые зачастую состоят из 2-х потенциометров. Один управляет по горизонтальной оси, а другой по вертикальной. Благодаря этим потенциометрам, игра становится более точной, чем на обычном цифровом джойстике.

Потенциометр представляет собой переменный резистор. Резистор – радиоэлемент, затрудняющий протекание тока через него. Он используется там, где необходимо уменьшить напряжение или ток.

Регулируемый резистор или потенциометр служит для того же, за исключением того, что он не имеет фиксированного сопротивления, а изменяется по требованию пользователя. Это очень удобно, поскольку каждый предпочитает разную громкость, яркость и другие характеристики устройства, которые можно регулировать.

Сегодня можно сказать, что потенциометр не регулирует функциональные характеристики устройства (это выполняет сама схема с цифровым дисплеем и кнопками), но он служит для изменения его параметров, как управление в игре, отклонение элеронов дистанционно управляемого самолета, вращение камеры видеонаблюдения и т.д.

Как работает потенциометр?

Традиционный потенциометр имеет ось, на которой размещается ручка для изменения сопротивления, и 3 вывода.

Два крайних вывода соединены электропроводным материалом с постоянным сопротивлением. Фактически это постоянный резистор. Центральный вывод потенциометра соединен с подвижным контактом, который перемещается по электропроводному материалу. В результате изменения положения подвижного контакта изменяется и сопротивление между центральным выводом и крайними выводами потенциометра.

Таким образом, потенциометр может изменять свое сопротивление между центральным контактом и любым из крайних контактов от 0 Ом до максимального значения, указанного на корпусе.

Схематически потенциометр можно представить в виде двух постоянных резисторов:

Как рассчитать его сопротивление? Эта схема напоминает довольно известную схему так называемого делителя напряжения.

В делителе напряжения крайние выводы резисторов подключены между питанием Vcc и массой GND. А средний вывод с GND создает новое более низкое напряжение.

Выходное напряжение можно расчитать по следующей формулы:

Uвых = Uвх*R2/(R1+R2)

Если у нас есть резистор с максимальным сопротивлением 10 кОм и его ручку перевести в среднее положение, то мы получим 2 резистора со значением 5 кОм. Подав напряжение 5 вольт на вход, на выходе делителя мы получим напряжение:

Uвых = Uвх * R2/(R1+R2) = 5*5000/(5000+5000) = 5*5/10 = 5*1/2 = 2,5В

Выходное напряжение оказалось равным половине входного напряжения.

А что же произойдет, если мы повернем ручку так, что центральный вывод соединиться с выводом Vcc?

Uвых = Uвх*R2/(R1+R2) = 5*10000/(0+10000) = 5*10000/10000 = 5*1 = 5В

Так как сопротивление резистора R1 уменьшилось до 0 Ом, а сопротивление R2 увеличилась до 10 кОм, на выходе мы получили максимальное выходное напряжение.

Что будет, если мы повернем ручку до упора в противоположную сторону?

Uвых = Uвх*R2/(R1+R2) = 5*0/(10000 0) = 5*0 = 0В

В этом случае сопротивление R1 будет иметь максимальное сопротивление 10 кОм, а сопротивление R2 упадет до 0. Фактически на выходе напряжение будет отсутствовать.

Цифровые потенциометры | Радиолюбительские схемы

Цифровые потенциометры выполняют функцию регулирования, аналогичную той, что выполняет обычный потенциометр с механическим управлением.

Сопротивление электронного регулятора изменяется дискретно (ступенчато) при подаче тактового импульса на счетный вход CLK микросхемы, а увеличение или уменьшение сопротивления определяется уровнем сигнала на входе UP/DOWN.

Помимо электронных аналогов многопозиционных механических переключателей, предназначенных для коммутации ограниченного количества электрических цепей, в последние годы появились и электронные аналоги механически управляемых (переменных) сопротивлений — электронные реостаты и потенциометры. Эти приборы, в отличие от механических аналогов, более компактны, надежны, имеют меньший уровень собственных шумов, допускают возможность одновременного дистанционного управления неограниченного числа регулировочных элементов. Пример использования вы можете видеть на рисунке выше.

В упрощенном виде электронные реостаты и потенциометры содержат набор (линейку) последовательно соединенных резисторов, коммутируемых электронными КМОП-ключами. Ключи эти обычно управляются:

• либо подаваемым извне цифровым кодом;
• либо формируемым непосредственно в микросхеме в зависимости от продолжительности подачи управляющего сигнала «вверх» или «вниз» на выводы управления, предназначенные для подключения к кнопкам управления или к источникам внешних управляющих сигналов «цифрового» уровня 1/0.

Примечание

Особенностью цифровых электронных реостатов и потенциометров является то, что изменение их электрического сопротивления осуществляется дискретно с заданным шагом по линейному, логарифмическому или иному, заданному пользователем, закону. Количество таких шагов обычно кратно двум, например, 32, 64, 128, 256 и т. д. При отключении/включении питания установленный до отключения на электронном потенциометре уровень (положение среднего вывода) запоминается.

Электронные потенциометры используют в технике связи, телевидении, персональных компьютерах, производственной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре. Такие потенциометры применяют для узлов электронной настройки, многоканальной регулировки громкости/тембра звуковоспроизводящей аппаратуры, в системах автоматической регулировки усиления, перестраиваемых многозвенных фильтрах, схемах управления параметрами дисплеев и т. д.

Примечание.

Применение цифровых электронных потенциометров и реостатов при их работе на переменном токе ограничено областью рабочих частот, в пределах которой сигнал после прохождения через такой регулятор ослабляется не более чем на 3 дБ. Кроме того, поскольку в состав регуляторов входят нелинейные полупроводниковые элементы, повышается уровень нелинейных искажений. Этот уровень заметно возрастает при понижении напряжения питания микросхемы регулятора. Если в составе электронного устройства содержится несколько электронных потенциометров и реостатов, негативные последствия от их совместного использования суммируются.

Цифровые электронные реостаты и потенциометры фирмы Dallas Semiconductor (DS) — Maxim, например, DS1668 выпускаются с интерфейсом ручного управления (в виде кнопки) или в виде традиционной интегральной микросхемы — DS1669.

Рис.1 Расположение выводов микросхемы DS1669:

R_H — верхний; R_W — средний; R_L— нижний вывод потенциометра; +V,-V — питание; UC—вход управления перемещением вверх; DC — вниз

Эти микросхемы однотипны, имеют 64 ступени изменения сопротивления и выпускаются в стандартных номиналах 10, 50 и 100 кОм.

Типовые примеры управления электронными потенциометрами DS1669 при помощи одной или двух кнопок приведены на рис. 2 и рис. 3.

Рис.2. Типовая схема включения цифрового электронного потенциометра DS 1669 с однокнопочным управлением

Рис.3. Типовая схема включения цифрового электронного потенциометра DS1669 с двухкнопочным управлением

Приведу далее сведения по основным разновидностям современных цифровых потенциометров.

DS1267 — двухканальный линейный цифровой потенциометр на номинал 10, 50 или 100 кОм. Имеет 256 позиций положения движка с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 5(±5) В.

DS1666 — цифровой потенциометр, предназначенный для устройств звуковоспроизведения. Он имеет логарифмическую шкалу и 128 точек позиционирования. Напряжение питания 5 В. Значения сопротивлений резистивной матрицы может быть 10, 50, 100 кОм. Затухание сигнала с амплитудой до 5 В на уровне -3 дБ на частотах 1,1; 0,2 и 0,1 МГц, соответственно.

DS1667 — представляет собой сдвоенный цифровой потенциометр. Микросхема содержит также два широкополосных операционных усилителя. Каждый потенциометр формируется из 256 элементов, резисторы могут складываться, что дает возможность получать единственный потенциометр на 512 элементов.

DS1802 — сдвоенные потенциометры, обеспечивают регулирование уровня громкости и/или тембра звукозаписи в проигрывателях компакт-дисков, звуковых платах (картах) и иных электронных устройствах. Эти потенциометры имеют логарифмическую характеристику регулировки сопротивления. Весь диапазон в 45 кОм разбит на 65 позиций с приращением шага в 1 дБ. Для управления потенциометром (потенциометрами) от центрального процессора или иных микросхем используют трехпроводный последовательный интерфейс. Потенциометрами можно управлять и при помощи обычных кнопок.

Помимо перечисленных, известны также микросхемы цифровых потенциометров:

DS1800 — сдвоенный цифровой линейный потенциометр на 128 позиций номиналом 50 кОм с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1801/DS1802 — сдвоенный цифровой потенциометр на 64 позиции, с логарифмической характеристикой, номиналом 50 кОм с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1803 — сдвоенный линейный цифровой потенциометр на 256 позиций, номиналом 10, 50 или 100 кОм с управлением по последовательному двухпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1804 — энергонезависимый линейный цифровой потенциометр, который имеет 100 позиционных отводов, номиналом 10, 50 или 100 кОм. Напряжение питания 3(5) В.

DS1805 — линейный цифровой потенциометр на 256 позиций номиналом 10, 50 или 100 кОм с управлением по последовательному двухпроводному интерфейсу. Напряжение питания 3(5) В.

DS1806 — линейный шестиканальный цифровой потенциометр на 64 позиции номиналом 10, 50 или 100 кОм с управлением по последовательному трехпроводному интерфейсу. Напряжение питания 2,7—5,5 В.

DS1807 — сдвоенный цифровой потенциометр на 64 позиции каждый, с логарифмической характеристикой изменения сопротивлений для регулирования уровня звуковых сигналов. Работает с двухпроводным последовательным интерфейсом. Программно можно объединить два потенциометра в один. Напряжение питания 3(5) В.

DS1808 — сдвоенный логарифмический цифровой потенциометр на 32 позиции, номинал 45 кОм. Двухпроводное управление. Напряжение питания +4,5; ±13,2 В.

DS1809 — цифровой потенциометр на 64 позиции. Управление кнопками «вверх»/»вниз». Предусмотрена функция (авто)сохранения установленного уровня. Значения сопротивлений резистивной матрицы может быть 10, 50, 100 кОм. Затухание сигнала с амплитудой до 5 В на уровне —3 дБ на частотах 1,0; 0,2 и 0,1 МГц, соответственно. Напряжение питания +4,5—5,5 В.

DS1844 — счетверенный линейный потенциометр на 64 позиции с двухпроводным интерфейсом номиналом 10, 50 или 100 кОм с двухпроводным интерфейсом. Напряжение питания 2,7—5,5 В.

DS1845 — сдвоенный линейный потенциометр на 256 позиций с двухпроводным интерфейсом. Напряжение питания 3(5) В.

DS1847 и DS1848 — температурно-компенсированные двойные линейные цифровые потенциометры на 256 позиций номиналом 10 или 50 кОм. Напряжение питания +3,0—5,5 В.

Помимо перечисленных, известны также цифровые потенциометры DS1854—DS1859y DS1866—DS1870, DS2890, DS3902, DS3903—DS3905, DS3930, DS4301 и др., сведения о которых можно почерпнуть из справочной литературы или на сайтах фирм-производителей. Отметим также в порядке сопоставления некоторые цифровые потенциометры иных фирм [24.2—24.4].

MAX5160/MAX5161 — линейный цифровой потенциометр фирмы MAXIM-DALLAS на 32 позиции, номиналы 50,100,200 кОм. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В. Трехпроводный интерфейс.

МАХ5400—МАХ5405 — линейные цифровые потенциометры на 256 позиции. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В.

MAX5407 — цифровой потенциометр на 32 позиции с логарифмической шкалой, номинал 20 кОм. Область рабочих частот до 500 кГц. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В.

MAX5408—MAX5411 — сдвоенные цифровые потенциометры на 32 позиции с логарифмической шкалой, номинал 10 кОм. Напряжение питания 6т 2,7 до 3,6 В для MAX5408, MAX5409 и от 4,5 до 5,5 В для MAX5410, MAX5411.

MAX5413—MAX5415 — сдвоенные линейные цифровые потенциометры на 256 позиций, номинал, соответственно, 10, 50 и 100 кОм. Напряжение питания от 2,7 до 5,5 В.

Кроме перечисленных в линейке подобных изделий этой фирмы можно назвать микросхемы MAX5417—MAX5439, MAX5450—MAX5457, MAX5460—MAX5468, MAX5471—MAX5472, MAX5474—MAX5475, MAX5477—MAX5479, MAX5481—MAX5484, MAX5487— MAX5492 и др., каждая, из которых имеет индивидуальные отличия и развивает области применения цифровых потенциометров и способов их управления.

Так, например:

MAX5471, MAX5472, MAXS474, MAX5475 — энергонезависимые 32-х позиционные линейные цифровые потенциометры с последовательным трехпроводным интерфейсом. MAX5471/MAX5474 имеют сопротивление 50 кОм, a MAX5472/MAX5475 — 100 кОм. Напряжение питания от 2,7 до 5,25 В.

Упомянем также для сравнения некоторые цифровые потенциометры фирмы Analog Device [24.3].

AD5200/AD5201 — цифровые потенциометры номиналами 10,50 кОм на 256 и 33 позиции, соответственно.

AD5231/AD5235 — цифровые потенциометры на 1024 позиции.

AD5232 — цифровой двухканальный потенциометр на 256 позиций.

AD5234 — цифровой четырехканальный потенциометр на 64 позиции.

AD5291/AD5292 — цифровые потенциометры на 256/1024 позиции на номинал 20,50,100 кОм.

AD7376 — цифровой потенциометр на 128 позиций на номинал 10, 50, 100,1000 кОм.

AD8400/AD8402/AD8403 — 1, 2 или 4-х канальные цифровые потенциометры на 1,10,50 или 100 кОм, 256 позиций, с трехпроводным интерфейсом.

Цифровые программируемые потенциометры фирмы ON Semiconductor САТ5270 и САТ5271 — двухканальные цифровые потенциометры на 50 и 100 кОм для точной настройки с 256 ступенями регулирования и интерфейсом 12С.

Цифровые программируемые потенциометры фирмы Catalyst Semiconductor САТ5111 и САТ5113 [24.4] на 100 позиций при напряжении питания 2,5—6,0 В потребляют ток 0,1 мА.

Рис.4. Эквивалентная схема электронного аттенюатора МС3340

Несколько иной принцип работы у другого управляемого извне прибора — электронного аттенюатора. Пример практической реализации одного из них — МС3340 фирмы Motorola приведен на рис. 4. Аттенюатор позволяет осуществлять дистанционное или непосредственное управление коэффициентом передачи (ослабления) сигнала до 80 дБ в полосе частот до 1 МГц. Напряжение питания аттенюатора — 9—18(20) В. Максимальное напряжение входного сигнала — до 0,5 В.

Типовая схема использования электронного аттенюатора МС3340 приведена на рис.5.

Рис.5. Типовая схема включения электронного аттенюатора МС3340

Примечание.

Особое положение в ряду электрически регулируемых пассивных элементов занимает специализированная микросхема МАХ1474с электрически переключаемыми конденсаторами— аналог миниатюрного конденсатора переменной емкости, рис. 6.

Применение такой микросхемы вместо традиционных варикапов или конденсаторов переменной емкости предпочтительнее ввиду идентичности емкостных параметров микросхемы, синхронности изменения емкости при одновременном использовании нескольких аналогов управляемых конденсаторов, лучшей температурной стабильности.

Примечание.

Возможная область применения микросхем с электрически переключаемыми конденсаторами— синхронная настройка колебательных контуров входных цепей радиоприемных устройств, фильтров промежуточной и иной частоты.

Управление батареей конденсаторов от встроенной схемы управления позволяет ступенчато с минимальным шагом в 0,22 пФ менять в 32 ступени ее емкость в пределах от 6,4 до 13,3 пФ на выводе СР относительно общего провода при заземленном выводе СМ.

Возможна эксплуатация конденсаторной батареи при подключении ее через выводы СР и СМ с изменением емкости в пределах от 0,42 до 10,9 пФ с шагом 0,34 пФ. Температурный коэффициент емкости управляемого конденсатора равен 3,3*10^-5 1/град.

Напряжение питания микросхемы 2,7—5,5 В при потребляемом токе 10 мкА. Микросхему можно применять до частот в несколько сотен мегагерц. Так, эквивалентная добротность контура порядка 100 на частотах ниже 20 МГц падает с ростом частоты до 359 МГц в 10 раз.

Микросхемы МАХ1474 можно применять в узлах электронной настройки, в емкостных аттенюаторах, в генераторах и других радиоэлектронных устройствах.

Похожие радиосхемы и статьи:

описание, устройство и схема :: BusinessMan.ru

В технике широко применяются приборы для измерения величин перемещений объектов с их преобразованием в электрические сигналы. Потенциометрический датчик в большинстве конструкций представляет собой реостат и соединенный с объектом скользящий контакт, с которого снимается сигнал. Выходной параметр — это величина электрического сопротивления, зависящего от углового или линейного перемещения подвижного элемента.

Принцип действия

Потенциометр преобразует линейные или угловые перемещения в соответствующие величины напряжения, тока или сопротивления. За счет этого можно работать со многими неэлектрическими величинами: давлением, уровнем, расходом и др.

Потенциометрические датчики, принцип действия которых заключается в измерении перемещения или места расположения положения, соединяются своими подвижными контактами переменного резистора с объектами. Это могут быть клапаны, антенны, режущие инструменты и многое другое. После подачи питания на датчик с него снимается сигнал положения движка потенциометра, как с делителя напряжения.

Базовый метод регистрации во всех моделях остается одним и тем же, но имеются конструктивные отличия. Сигнал может сниматься напрямую или с помощью электронной схемы после его обработки и нормализации. Важно, чтобы он соответствовал определенным стандартам.

Достоинства потенциометрических датчиков

• Простота конструкции.
• Небольшая стоимость.
• Хорошая разрешающая способность.
• Компактность и малый вес.
• Стабильность показаний.

Конструктивное исполнение

В промышленности распространены проволочные потенциометрические датчики перемещения. Они обладают высокой точностью и стабильностью, имеют малые величины температурного и переходного сопротивлений и низкий уровень шумов. К недостаткам относятся: небольшая величина сопротивления, малая разрешающая способность, износ подвижных частей и ограниченность применения при работе на переменном токе.

Устройства состоят из трех основных элементов:

1. Каркас. Изготовлен из теплопроводного изоляционного материала или металла с диэлектрическим покрытием, не меняющий геометрические размеры при нагревании. Форма может быть в виде кольца, изогнутой пластины, стержня.
2. Изолированная обмотка. Выполняется с точной укладкой провода, от шага которой зависит разрешающая способность прибора.
3. Подвижная щетка. В местах ее соприкосновения с обмоткой витки очищены от изоляции. Подвижный контакт в устройствах может перемещаться поступательно или вращательно. В последнем случае устройства могут быть одно- или многооборотного исполнения.

Материалы

Каркас изготавливается из диэлектрического материала: керамики, гетинакса, текстолита, пластмассы. Применяется металл с изоляционным покрытием. Его высокая теплопроводность дает возможность хорошо отводить тепло от провода датчика.

Металл обмотки обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, стойкостью к коррозии, небольшим влиянием температуры, прочностью на истирание и разрыв. Этим требованиям соответствует манганин, константан, никельхромовые сплавы. Намотка также может быть ламельной или пленочной.

Скользящие контакты снижают надежность датчиков и усложняют конструкцию. Недостатки проволочных потенциометров:

• низкая надежность контактов;
• нестабильность переходного сопротивления между движком и обмоткой из-за окисления и электроэрозии провода;
• дребезг контактов.

Большой ресурс имеют токопроводящие пластмассы, имеющие также лучшую линейность характеристики. Датчики на их основе применяются там, где требуется высокая надежность, особенно – в авиации.

Контакт щетки изготавливается с добавкой благородных металлов, чтобы они были мягче материала обмотки.

Схемы

Датчики потенциометрического типа имеют статическую характеристику — зависимость напряжения на выходе U_вых от перемещения контакта X. Связь между этими параметрами у ненагруженного потенциометра обычно линейная:

U_вых = kX,

где L — длина датчика, k — чувствительность (k = U_пит/L).

В реальности потенциометрический датчик содержит нагрузочное сопротивление R_н в следующем звене системы автоматического управления, которое влияет на величину U_вых.

Низкая надежность датчиков, связанная с потерей контакта, обрывом обмотки или межвитковым замыканием, приводит к необходимости изменения схемы соединений.

Если знак сигнала на выходе не меняется, датчик называется однополярным. Он представляет собой простейшее устройство типа переменного резистора.

Схема потенциометрического датчика двухтактного типа применяется для автоматического регулирования, где на выходе изменяется знак сигнала в зависимости от того, какой он на входе. От этого зависит направление управляющего перемещения рабочего органа.

Напряжение может сниматься со щетки и с середины потенциометра. Применяются также другие схемы подключений. При питании постоянным током, когда подвижный контакт проходит через его среднюю точку, знак на выходе изменяется на противоположный. Если на обмотку подается напряжение переменного тока, изменяется фаза на 180⁰.

В автоматике используются нелинейные характеристики датчиков. Для этого изменяется диаметр проволоки вдоль намотки, шаг обмотки, применяются каркасы сложной формы, шунтируются участки потенциометров сопротивлениями.

Эксплуатационные характеристики

Характеристика холостого хода датчика представляет собой прямую линию (R/R_н = 0). Отклонение кривых от нее увеличивается с уменьшением сопротивления нагрузки R_н.

Кроме активного сопротивления у датчиков есть еще динамические нагрузки:

1. Передаточная функция.
2. Индуктивная составляющая.
3. Собственные шумы при переходе подвижного контакта от витка к витку и от вибрации щетки.

Сопротивление между контактом движка и одним из выводов называется выходным. Измеряется его величина, сила тока или напряжение.

Погрешности датчиков

На реальные характеристики датчиков влияют следующие погрешности:

1. Зона нечувствительности. При переходе контакта с одного витка провода на другой происходит скачок напряжения, величина которого определяется по формуле: DU=U_пит./W, где W – число витков.
2. Неравномерность статической характеристики, связанная с колебаниями диаметра провода по длине, его удельным сопротивлением и точностью намотки.
3. Наличие люфта между движком контакта и втулкой, влияющего на точность показаний.
4. Неравномерность нажима щетки, влияющая на величину сопротивления контакта. Обычно силу прижатия движка к обмотке применяют достаточно большую. Однако сделать это не всегда удается, поскольку усилие от чувствительных элементов (мембран, поплавков, биметаллических пластин) — небольшое.
5. Влияние электрического сопротивления нагрузки R_н. Ее величину выбирают в 10…100 раз больше сопротивления датчика.

Назначение

Потенциометрический датчик положения предназначен для следующих целей:

• контроль и измерение перемещений механизмов, рабочих органов машин и других объектов;
• звено обратной связи в робототехнике и в системах автоматики;
• определение расстояний до объектов;
• испытания в лабораториях, контроль работы механизмов.

Типы датчиков

Применение потенциометрического датчика зависит от типа:

1. T/TS – высокоточный прибор (0,075%), работающий в диапазоне осевых перемещений 150 мм. Подходит для окружной скорости до 10 м/с. Конструкция – обеспечение перемещения стержня в двух направлениях по принципу делителя напряжения.
2. TR/TRS – такой же, как предыдущий, но с возвратной пружиной. Перемещение достигает 100 мм. Выдерживает более высокие поперечные нагрузки на наконечнике.
3. TE1 – модель, которая содержит электронную схему для нормализации сигналов с аналоговым выходом.
4. TE1 с возвратной пружиной – модификация для решения более широкого круга задач. Датчик более устойчив при повышенных поперечных нагрузках.
5. TEX – потенциометрический датчик с поворотной головкой и с отслеживанием линейных перемещений объектов на расстояние до 300 мм. Шарнирное соединение облегчает монтаж и обеспечивает длительный срок эксплуатации.
6. TEX с приводной штангой с резьбой на конце. Дает возможность жестко фиксировать объект.
7. TEX с возвратной пружиной не требует жесткого крепления объекта к штанге.
8. TX2 с поворотной головкой или с крепежными хомутами. Применяются в тяжелых условиях эксплуатации. Уровень защиты составляет IP 67, точность — 0,05%.

Применение потенциометров в датчиках давления

Параметры работы различных устройств удобно преобразовывать в электрические сигналы. Потенциометрический датчик давления жидкости или газа применяют в системах подачи топлива в машинах, газа в магистралях и т. п. Обычно это мембранные измерительные приборы.

Под действием перепада давления на обеих сторонах мембраны происходит ее перемещение. При этом также поворачивается ползун. Если давления Р₀ и Р_и равны между собой, движок переходит в исходное левое положение, при котором устанавливается начальное сопротивление прибора. Когда Р_и уменьшается, мембрана перемещается вправо, а ползунок устанавливает щетку потенциометра в положение, соответствующее перепаду давления.

Чтобы снизить погрешность дискретного изменения сопротивления потенциометра, количество витков на нем делают не менее 100. Ее можно полностью устранить, если перемещать щетку вдоль оси калиброванной проволоки реохорда.

Конструкции датчиков

Датчик линейного перемещения потенциометрический состоит из диэлектрического каркаса различной формы (пластины, цилиндра, кольца и др.), на который наматывается изолированный провод, присоединенный к зажимам и закрепленный хомутами на концах. По обмотке перемещается металлическая щетка. Для датчиков поворотного типа каркасы делаются кольцевой формы, продольного – прямолинейные. В местах контакта с движком изоляция на проводе отсутствует.

На зажимы подается напряжение питания. Выходной сигнал снимается между одним из концов провода и контактом щетки, хотя есть другие схемы подключений.

Каждый линейный потенциометрический датчик имеет статическую характеристику в виде зависимости величины выходного сигнала от перемещения контакта щетки.

Заключение

Потенциометрический датчик должен быть надежным, удобным и долговечным при его применении в измерительной технике и в системах автоматического регулирования. Устройства контроля положения объектов различаются по принципу действия и по видам сигналов выхода, которые должны соответствовать стандартам.

Цифровой кнопочный потенциометр — регулятор громкости

Схема кнопочного потенциометра (сдвоенного) с цифровым управлением построена на основе специализированной микросхемы DS1267 от компании Dallas. В этом проекте используется версия 100к. Для управления ей служит микроконтроллер ATTiny13, выбранный из-за небольших размеров. Потенциометр позволяет регулировать максимум 256 шагов, однако можно применить ограниченное значение до 128 шагов. Этот показатель свободно устанавливается изменяя исходный код программы. На плате предусмотрен также вывод поляризации системы DS1267, так называемые «VBias», который можно поляризировать отрицательным напряжением, когда требуется перемещение бОльших чем 0,5 В амплитуд сигнала.

Устройство с успехом может заменить классический потенциометр (регулятор громкости), что и было проверено на этом самодельном усилителе.

В схеме регулятора применены в основном SMD элементы, чтобы максимально уменьшить его размеры. Плата с успехом может быть встроенная в любую часть усилителя звука, так как ее высота всего 1 см. Регулировка громкости осуществляется с помощью двух миниатюрных кнопок (микриков), припаянных непосредственно на плату. Светодиод сигнализирует своим миганием о процессе нажатия и регулировании.

Схема электрическая кнопочного регулятора

Схема принципиальная кнопочного регулятора потенциометра

Основой схемы является микроконтроллер U1 (ATTiny13), работающий на внутреннем источнике синхронизации (внутреннем генераторе). По трех-проводной шине он управляет состоянием U2 (DS1267). Выходами потенциометров будут разъемы P1 и P2. Диод D1 вместе с резистором, ограничивающим его ток, выполняет функцию индикатора работы шины. Короткой вспышкой сообщает о факте отправки данных в м/с U2. Конденсатор C1 (100nF) представляет собой фильтр питания.

Изготовление конструкции

Схема паяется на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Плата не содержит перемычек, а два кажущихся разрыва в цепи массы будут местами пайки корпуса кнопок. Монтаж следует начать с припаивания интегральных микросхем, потому что это делается гораздо удобнее, когда нет выступающих элементов от другой стороны. Порядок пайки остальных элементов произвольный. Схему необходимо питать напряжением 5 В, желательно стабилизированным.

Готовые для пайки платы

Определенным неудобством является программирование микроконтроллера, так как здесь не предусмотрено разъема программирования. Чтобы запрограммировать МК U1 — подпаяйте аккуратно к его выводам тонкие провода, которые затем будут подключены к программатору. Вывод VB (VBias) соединен с массой схемы, однако, если необходимо подключение этого входа к другой полярности, просто вырежьте фрагмент дорожки между выводами на плате. Когда потенциометр работает для регулировки громкости предусилителя и амплитуда сигнала, что на него подается не превышает 0,5 вольта, то выход VB следует поляризировать относительно отрицательного напряжения -5 В относительно массы. Это обеспечит правильную передачу аналогового сигнала.

кнопочный регулятор — потенциометр

Следует иметь в виду, что потенциометр имеет максимально допустимое напряжение, которое может присутствовать на любом из контактов (относительно GND) от -0.1 до +7 В для Vb = 0 и от -5 до +7 В для Vb = -5 В. При эксплуатации регулятора следует позаботиться о том, чтобы не превышать указанные допустимые границы напряжений. Когда вы питаете схему от отдельного БП, необходимо убедиться, что масса потенциометра (GND) и масса схемы назначения связаны между собой.

Фьюзы биты

На рисунке показаны настройки фузов для микроконтроллера ATTiny13

Управление регулятором

Работа со схемой проста. Изменение громкости осуществляется нажатием кнопок S1 и S2. Удержание нажатой кнопки вызывает плавное перемещение воображаемого ползунка потенциометра в нужном направлении. Светодиод D1 сигнализирует своим миганием факт изменения положения ползунка. Когда он достигнет одной из крайних позиций — индикатор перестанет мигать, хотя вы и продолжите держать нажатой кнопку.

Подключение регулятора

Прошивка и плата

Все необходимые для самостоятельной сборки файлы вы можете скачать по ссылке.

Линейные потенциометры в улучшенных регуляторах громкости и баланса

Надеюсь, вам будет интересен мой перевод статьи про использование обычных потенциометров с линейной зависимостью для плавной регулировки громкости и баланса.
Оригинальная статья: Better Volume (and Balance) Controls. By Rod Elliott, additional material provided by Bernd Ludwig

Содержание / Contents

Регулятор громкости в Hi-Fi усилителе (или любом другом аудио устройстве, если на то пошло), очень прост, не так ли? Нет, не так! Для того чтобы получить плавный рост уровня громкости при повороте ручки регулятора, потенциометр должен быть логарифмическим (изменять своё сопротивление по логарифмическому закону), чтобы изменение громкости соответствовало нелинейным характеристикам нашего слуха. Линейный потенциометр не удовлетворяет этим требованиям.

Замечание о терминологии.
На самом деле зависимость изменения сопротивления от угла поворота должна быть антилогарифмическая (показательная). Но в иностранных (да и отечественных) материалах почти всегда используют термин log (логарифмическая). Эту путаницу надо иметь в виду.
У отечественных резисторов для правильной регулировки громкости маркировка «В», у импортных «А» (audio).
Если нет маркировки, этот тип легко определить с помощью тестера. При повороте оси из крайнего левого положения, сопротивление между левым и центральным выводом сначала изменяется медленно, затем более резко. В среднем положении сопротивление двух половинок сильно отличается.

В магазинах радиодеталей, вместо потенциометра с действительно логарифмической зависимостью изменения сопротивления в зависимости от угла поворота движка, вы рискуете купить потенциометр, проводящая дорожка которого состоит из двух линейных участков, каждый со своим градиентом сопротивления. Теоретически, они аппроксимируют логарифмическую кривую, достаточно близко. Но исследователи обнаружили, что это бывает редко, и на стыке между двумя участками происходит «разрыв», «скачок», который особенно заметен при прохождении этого участка.
Как и в линейных потенциометрах, используемых в качестве регуляторов громкости, первые 10% вращения вызывают слишком большой прирост уровня, особенно из положения «OFF», чтобы можно было комфортно регулировать небольшие уровни громкости. «Правильный» логарифмический регулятор теоретически имеет диапазон до 100 дБ, на самом деле это излишне, потому что обычно громкость регулируется в гораздо более узком диапазоне – примерно 25 дБ, что соответствует отношению мощности 316:1.

Есть возможность, с некоторой доработкой, обеспечить работу обычного потенциометра с линейной зависимостью в данном диапазоне с достаточной на практике линейностью.
На рис. 1 показана схема «переделки» линейного резистора в логарифмический.

Возьмите линейный потенциометр (VOL) 100 кОм, и подключите, как указано на рис. 1 (резистор R = 10…15 кОм, например, 12 кОм. На рис. 2 показана полученная зависимость изменения уровня сигнала в зависимости от угла поворота ручки регулятора.

У «настоящего логарифмического» регулятора эта зависимость будет выражена прямой линией. На практике полученная линия значительно ближе к идеальной, чем стандартный недорогой логарифмический потенциометр. Для стерео, используйте сдвоенный блок потенциометров с минимальной разницей сопротивления потенциометров между собой. Использование точных 1% резисторов для R рекомендуется. Номинал потенциометра VOL можно изменить, но важно сохранить соотношение от 6:1 до 10:1 между сопротивлениями VOL и R соответственно.
Выбор конкретного отношения является компромиссом. На рис. 2 отношение резисторов 8,33:1, оно ближе всего к аппроксимации логарифмической зависимости, но при данном отношении может быть слишком резкая регулировка на минимальных уровнях громкости. Более высокие коэффициенты, чем 10:1 могут чрезмерно нагружать выход предварительного усилителя или требовать использования потенциометра, сопротивление которого слишком велико.

При правильно спроектированной диаграмме уровней усилительного тракта обычно будет достаточно диапазона регулировки громкости близкого к логарифмическому в диапазоне 25 дБ. Диаграмма уровней усилительного тракта выставлена правильно, если в подавляющее большинство времени работы потенциометр регулятора громкости находится в положении между 10 и 2 «часами».

Если ручка регулятора громкости часто установлена в положение ниже или выше этого диапазона, следует рассмотреть вопрос об изменении коэффициента усиления предварительного усилителя. Усиление тракта, как правило, определяется усилением предварительного и оконечного усилителя, поэтому может быть оптимизировано без ухудшения качества. Другим преимуществом «поддельного» логарифмического потенциометра является то, что линейные потенциометры, как правило, имеют более стабильные характеристики, чем имеющиеся в продаже логарифмические потенциометры, у линейных потенциометров обычно меньше разница между левым и правым каналами.

Дополнительный резистор позволяет добиться от дешевого углеродного потенциометра того же результата, что и от гораздо более дорогого потенциометра с токопроводящим пластиком (по крайней мере в точности, не вступая здесь в дискуссию по качеству звука). Необходимо только убедиться, что выходное сопротивление источника, сигнал с которого поступает на потенциометр, низкое, и что выходной каскад источника сигнала имеет достаточную нагрузочную способность (при потенциометре в 100 кОм, общее сопротивление регулятора может составить всего 9 кОм). При высоком выходном сопротивлении источника сигнала, использование данного решения не имеет смысла.

Идея разработана Питером Бэксандаллом (Peter Baxandall), который знаменит своим регулятором тембра и другими разработками. У него есть проект «улучшенного регулятора громкости» на операционных усилителях и потенциометре в цепи обратной связи. Зависимость регулировки практически совпадает с конструкцией на пассивных элементах, описанной выше, и так же близка к логарифмической, но схема на активных элементах может обеспечить как усиление, так и ослабление сигнала. Пример такой конструкции можно найти в Проекте 24, а основная идея показана на рис. 3.

Входной буфер (U1A) необходим для обеспечения высокого входного сопротивления. Максимальный коэффициент усиления каскада на U1A равен 10 (20 дБ), а минимальный коэффициент усиления 0 (максимум затухания). Входной импеданс является переменной величиной, в зависимости от установки потенциометра.

При минимальном усилении, входной импеданс равен полному сопротивлению потенциометра 50 кОм. Входной импеданс падает примерно до 27 кОм при повороте ручки потенциометра на 50%, и примерно до 4,3 кОм на максимуме. Входной импеданс намного меньше, чем у потенциометра из-за наличия обратной связи от конечного операционные усилителя. Эти цифры сопротивлений похожи (но немного ниже, чем у пассивного варианта (если используется потенциометр 100 кОм), и здесь требуется низкое выходное сопротивление источника сигнала, иначе логарифмическая зависимость не будет соблюдаться.

Фактическое значение VR1 не имеет значения, потенциометры от 10 кОм до 100 кОм будут работать одинаково хорошо, хотя это будет влиять на входное сопротивление. Зависимость регулировки от угла поворота показана на рис. 4.

Обратите внимание, что из-за отсутствия дополнительного резистора по схеме рис. 1, здесь не нивелируется разность в разбросе резисторов разных каналов, поэтому для их лучшего баланса между собой, надо уделить внимание идентичности сопротивлений. Усиление в 20 дБ будет избыточно для большинства предусилителей. Как правило, достаточно усиления 10 дБ. Для получения такого усиления достаточно увеличить R2 до 3,3 кОм. Следующий трюк использован в некоторых гитарных усилителях. Используются сдвоенные потенциометры, что не слишком подходит для стерео, так счетверенные линейные потенциометры достаточно дефицитны. Схема показана на рис. 5.

Приближение к логарифмической зависимости очень хорошее, по крайней мере, в диапазоне 30 дБ, это несколько лучше, чем у версии, показанной на рис. 1.
Зависимость регулировки от угла поворота показана на рис. 6.

При уменьшении уровня от максимального в диапазоне 25 дБ, зависимость почти линейна (т.е. действительно логарифмическая). Это хороший способ получить хороший результат, но, как уже отмечалось, для стереоусилителя требуется счетверенный потенциометр. Это ограничивает полезность данного решения.Для тех, кто нуждается в многоканальной логарифмической регулировке громкости, есть Проект 141. Проект использует микросхему THAT2180 VCAS, и может управлять от 1 до 8 каналов (или даже больше). Он идеально подходит для систем домашнего кинотеатра, и вам надо только включить данный проект в тракт звуковоспроизведения. Бернд Людвиг предложил полезный вариант «улучшенного регулятора баланса». Следует отметить, что данный вариант требует высокого сопротивления нагрузки, предложенный выше пассивный «улучшенный регулятор громкости» не может быть использован в этой схеме. Схема включения очень похожа на концепцию улучшенного регулятора громкости на рис. 1, за исключением того, что эта идея используется в «обратном направлении».

Имейте в виду, что многие (особенно ранние японские) регуляторы баланса используют специально разработанные потенциометры, они не подходят для схем, показанных ниже. Эти специально разработанные потенциометры имеют токопроводящую подкову половина которой металлизирована. В среднем положении благодаря металлизированным секторам дорожек сигнал проходит только по металлизированным частям и затухания сигналов не происходит.

При повороте регулятора, в одном канале ползунок движется по металлизированной части и уровень сигнала в этом канале не меняется, а в другом канале ползунок движется по графитовой поверхности с высоким сопротивлением, что приводит к затуханию сигнала в данном канале. По моему мнению такая регулировка является неудовлетворительной для Hi-Fi.

Стандартная схема регулировки баланса/громкости с использованием обычных потенциометров (в одном канале) показана на рис. 7 ниже.

Типичное отношение сопротивлений регуляторов BAL = 2,5*VOL
Например: VOL = 10 кОм log, BAL = 25 кОм linear

Добавление резистора ‘R’ как показано на рис. 8

дает возможность двух интересных улучшенных вариантов стандартной схемы регулировки. Обратите внимание, что переключатель является необязательным и может быть заменен перемычкой.В среднем положении регулятора баланса, он влияет только на нагрузку источника т. к. мост сбалансирован, и ток через скользящий контакт регулятора баланса не течет.
Поэтому замыкание и размыкание переключателя «Sw1», ничего не меняет. Это, кажется, разумным: пока регулятор баланса находится в среднем положении, сигнал через него не проходит. Следовательно, качество (или состояние) потенциометра регулятора баланса вообще не имеет значения. На практике баланс может не совсем соблюдаться, если дорожки регулятора баланса имеют неодинаковое сопротивление от центрального до крайних положений. Благодаря дополнительному резистору ‘R’, регулятор баланса работает очень плавно вблизи центрального положения и влияние на общий уровень громкости гораздо меньше, чем без него. Регулятор баланса работает, не влияя на общий уровень громкости.
Это удобно в эксплуатации, так как звуковая сцена может плавно смещаться влево или вправо без существенного изменения общего уровня громкости. Суммарное входное напряжение обоих каналов постоянно с точностью примерно (±0,2 дБ) при изменении положения регулятора баланса в пределах 80% (при этом регулировка баланса остается особенно плавной вблизи центрального положения). Я пришел к множителю 0,47 после моделирования на компьютере и проверил его, реализовав в моем предусилителе. Он работает, как и ожидалось (есть только незначительное увеличение общей громкости в крайнем правом и левом положениях).

Я считаю, что регулятор баланса необходим, так как есть немало записей, которые страдают от тяжелого дисбаланса каналов. Перемещать же кресло или колонки неудобно. Перемещение звуковой сцены влево или вправо без изменения общей громкости, просто активируя ручку баланса, очень удобно и правильно.

Компромисс между критериями «золотого уха» и «максимальным удобством» можно найти, выбрав подходящее отношение «R/Vol» между 1,0 и 0,47.
Вы можете добавить регуляторы баланса (например, R = VOL и BAL ~ 2*VOL)в усилители «пуристов» где он отсутствует. Критического изменения параметров не произойдет (конечно, будет некоторое уменьшение чувствительности примерно на 4…6 дБ, которое придется компенсировать регулятором громкости). Даже когда регулятор баланса установлен в крайних положениях общее изменение громкости составляет примерно 30%.
Если обычный регулятор баланса в усилителе уже есть, его легко доработать… Надо просто припаять дополнительные резисторы к соответствующим контактам регуляторов громкости и баланса.

Я не гарантирую абсолютную точность перевода. Практических опытов подтверждающих измерения автора я не делал. Вместе с тем, материал интересный и здесь собраны вместе технические решения, которые встречаются в разных конструкциях и статьях.

Логарифмические потенциометры нужного размера и номинала найти весьма непросто, что и стало одной из причин данного перевода.
Вместе с тем, большинство современных источников сигнала и самодельных предварительных усилителей имеет весьма низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать описанный улучшенный регулятор громкости.

Спасибо за внимание!

Камрад, смотри полезняхи!

Сергей (Chugunov)

РФ, Москва

О себе автор ничего не сообщил.

 

2.2.2 Ручной потенциометр:

Принцип действия основан на уравновешивании ЭДС термопары напряжением внешнего источника.

Основной принцип включения термопары в цепь потенциометра состоит в том, чтобы токи I₁от внешнего источника и токI₂от термопары протекали по участку АС в одном направлении, тогда на основании 2-го закона Кирхгоффа для токаI₁можно записать:I₂₌

Рисунок 4

Принцип действия уравновешивания или компенсации.

Ток I₂— протекающий через нулевой прибор будет равен нулю, когдаE_tt0=

Принято считать, что при I₂=0 произошло уравновешивание термоЭДС термопары падением напряжения на участке АС. В этот момент нулевой прибор показывает нулевое значение, а численное значение изменения температуры наблюдается на отградуированной шкале потенциометра.

Достоинства: простое устройствовысокая надежность.

Недостаток: необходимость присутствия человека.

2.2.3 Автоматический потенциометр

Основы теории мостовых схем

Графически мостовая схема представляет собой повернутый квадрат, в каждой стороне которого находится по сопротивлению.

Рисунок 5

Сторона квадрата вместе с сопротивлением, называется плечом мостовой схемы.

Диагональ АВ, называется питающей, диагональ СД называется измерительной.

Мостовая схема называется уравновешенной или сбалансированной, если при подачи питающего напряжения на одну диагональ (АВ), напряжение на другой диагонали ( СД)=0

Аналитическое выражение для условия равновесия имеет вид: R₁

Если условия равновесия не выполняется, то в измерительной диагонали СД появляется напряжение небаланса (U_СД). Принцип действия автоматического потенциометра основан на уравновешивании ЭДС термопары напряжением небаланса. Основой измерительной части автоматического потенциометра является мостовая схема. Термопара дифференциально включается в измерительную диагональ в результате чего на вход электронного усилителя подается разность(E_tt0-U_СД).

Рисунок 6

На усилителе эта величина усиливается до пределов способных управлять работой реверсивного двигателя. В зависимости от знака подаваемой на двигатель величины, вал двигателя вращается в ту или иную сторону, при этом через передаточный механизм перемещается стрелочный указатель и перо самописца и подвижный контакт С на сопротивлении реохорда. При перемещении подвижного контакта С изменяется напряжение небаланса U_СДи наступает уравновешивание, т.е.E_tt0=U_СД. При этом реверсивный двигатель останавливается, стрелочный указатель показывает численное значение температуры, перо самописца рисует график ее изменения. На этом заканчивается один цикл работы прибора.

Назначение элементов автоматического потенциометра.

ИПСН- источник постоянного стабилизированного напряжения:

R_р— сопротивление реохорда:

R_Н— сопротивление, определяющее нижние пределы измерения:

R_в— сопротивление, определяющее верхние пределы измерения:

R_К— сопротивление, определяющее компенсацию температурной погрешности при отклонении холодного пая термопары от нуля⁰С:

R_М— сопротивление, дополняющее схему до мостовой.

Буквенные обозначения самопишущих приборов.

КСП-4, КСМ-3, КСД-2, КСУ-1.

К- компенсация или уравновешивание,

С- самопишущие приборы,

П- потенциометры,

М- мосты,

Д- приборы дифференциально-трансформаторной системы,

У- универсальные приборы ( для измерения электрических величин). Цифры от 1-4 характеризуют размер стороны.