آشنایی با انواع پتانسیومتر های کاربردی

در این مقاله قصد داریم، انواع پتانسیومتر های کاربردی را همراه با نحوه عملکرد آن‌ها شناسایی کنیم. با فراگیری این آموزش می‌توان تشخیص داد که هر مدل از این قطعه مناسب برای چه پروژه‌هایی می‌باشد.

پتانسیومتر چیست؟

پتانسیومتر های الکتریکی که در بین مهندسان به اختصار با نام «pot» شناخته می‌شوند، در واقع مقاومت‌هایی با قابلیت تنظیم مکانیکی هستند یعنی مقدار مقاومت آن‌ها را می‌توان به صورت دستی تغییر داد.

همانطورکه می‌دانید، مقاومت‌ها اصولاً یک مقدار ثابت دارند و جریان الکتریکی عبوری از مدار را محدود و در برابر آن مقاومت می‌‎کنند. پتانسیومتر نیز یک مقاومت متغیر است که به‌عنوان تقسیم‌کننده ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای تنظیم ولتاژ خروجی در مدار و همچنین اندازه‌گیری دقیق پتانسیل الکتریکی استفاده می‌شود. (بنابراین دانستیم که چرا آن‌ها را پتانسیومتر یا پتانسیل سنج نام‌گذاری کرده‌اند.)

نحوه عملکرد این قطعه متناسب با موقعیت فیزیکی لغزنده (wiper) موجود در ساختار فیزیکی خود می‌باشد که با این تشخیص موقعیت، یک سیگنال خروجی ولتاژ متغیر و پیوسته روی عنصر مقاومتی تولید می‌کنند.

بهتر است بدانید، پتانسیومتر ها جزء قطعات پسیو به‌شمار می‌آیند، بدین‌معنی که برای عملکرد خود به منبع تغذیه یا مدار اضافی نیاز ندارند.

پتانسیومتر ها چگونه کار می‌کنند؟

مقاومت یک جسم به عوامل مختلفی بستگی دارد و در صورت ثابت ماندن سایر پارامترها، مقاومت یک جسم با طول آن نسبت مستقیم دارد. به عبارت دیگر یک قطعه با طول 10 سانتی‌متر، نصف مقاومت قطعه دیگر به طول 20 سانتی‌متر با همان ماده و سطح مقطع را خواهد داشت. این اصل در انواع پتانسیومتر نیز صادق است.

یک پتانسیومتر از یک عنصر مقاومتی یکنواخت و یک کنتاکت لغزنده تشکیل شده که با تغییر موقعیت خطی یا چرخشی آن، مسیری که جریان از آن می‌گذرد کوتاهتر یا طولانی‌تر می‌شود و بدین‌صورت می‌توان خروجی پتانسیومتر را تنظیم کرد. بنابر این روش، ولتاژ ورودی به تمام طول عنصر مقاومتی و ولتاژ خروجی بین عنصر مقاومتی ثابت و کنتاکت چرخشی اعمال می‌شود و موقعیت کنتاکت متحرک نسبت به عنصر مقاومتی، میزان ولتاژ ورودی را به مدار تعیین می‌کند.

پتانسیومتر ها به ندرت می‌توانند بیش از 1 وات را کنترل کنند زیرا برای این کار لازم است توان ورودی زیادی تلف شود و این باعث تولید گرمای غیرقابل قبولی خواهد شد. درعوض برای کنترل توان بالا، سیگنال‌های آنالوگ استفاده شده توسط دیگر قطعات را تنظیم می‌کنند. به عنوان مثال، یک دیمر ساده برای کنترل ترایاک از یک پتانسیومتر استفاده می‌کند که روشنایی نور را تغییر می‌دهد.

معرفی انواع پتانسیومتر

پتانسیومتر ها به دو دسته اصلی آنالوگ و دیجیتال تقسیم می‌شوند. مقاومت متغیر های آنالوگ شامل عناصر مکانیکی هستند که خروجی آن به صورت دستی کنترل می‌شود، این مدل در شکل‌های خطی و چرخشی موجود و قابل استفاده می‌باشد:

پتانسیومتر های دیجیتال یا الکترونیکی به جای حرکت مکانیکی؛ توسط سیگنال‌های دیجیتال کنترل می‌شوند و خروجی را تغییر می‌دهند.

ما در این مقاله نوع پرکاربرد مقاومت متغیر ها یعنی مدل‌های آنالوگ را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

پتانسیومترهای آنالوگ که شامل دسته‌های خطی و چرخشی هستند، دارای انواع مختلفی می‌باشند که می‌توان هریک از آن‌ها را برای یک کاربرد مشخص استفاده کرد . جهت آشنایی با هریک از این مقاومت های متغیر در ادامه این آموزش همراه ما باشید:

پتانسیومتر خطی چیست؟

پتانسیومترهای خطی نوعی سنسور موقعیت هستند که فقط کافیست با حرکت دادن یک کنتاکت فلزی در محور خط راست (به صورت کشویی)، میزان مقاومت در مدار راتوسط این قطعه تعیین نماییم. انواع پتانسیومتر خطی را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده نمایید و همینطور با نحوه عملکرد هر یک در ادامه آشنا شوید:

• پتانسیومتر کشویی: از یک عنصر مقاومتی و یک کنتاکت کشویی برای تنظیم مقاومت با یک حرکت خطی تشکیل شده‌اند. در این پتانسیومتر ها بین موقعیت لغزنده و مقاومت خروجی یک رابطه خطی وجود دارد، بنابراین می‌توانند به عنوان سنسورهای موقعیت مقاومتی (حسگرهای جابجایی خطی) نیز استفاده شوند. در پتانسیومترهای Dual Slide یک نوار لغزنده قرار دارد که دو پتانسیومتر را به صورت موازی کنترل می‌کند. پتانسیومترهای slide اغلب در تجهیزات صوتی مانند میکسرهای استودیو، fader ها یا اکولایزرهای گرافیکی استفاده می‌شوند.

• پتانسیومتر کشویی موتوری: از یک پتانسیومتر کشویی با یک تسمه‌تایم که توسط یک موتور DC کوچک و قرقره هدایت می‌شود، تشکیل شده و امکان کنترل از راه دور خودکار را فراهم می‌کند. این نوع معمولاً در اتوماسیون صنعتی و برنامه‌های کاربردی کنترل فرآیند استفاده می‌شود.

تفاوت بین پتانسیومتر و رئوستا چیست؟

اساسی‌ترین تفاوت بین این دو قطعه این است که پتانسیومتر یک قطعه سه پین است که برای کنترل پتانسیل یا ولتاژ استفاده می‌شود ولی رئوستا یک قطعه دو پین است و برای کنترل جریان استفاده می‌شود. با این حال می‌توان با عدم اتصال یک پایه پتانسیومتر، از آن به عنوان رئوستا استفاده کرد.

رئوستا ها مقاومت‌های متغیر توان بالا و دارای سیم‌پیچی هستند که در کاربردهای جریان بالا، برای کنترل جریان در وسایلی مانند لامپ‌ها و موتورها استفاده می‌شوند. آن‌ها شامل سیم‌پیچ‌هایی متشکل از سیم‌هایی با استحکام بالا هستند که با حرکت لغزنده روی سیم‌پیچ، مقدار مقاومت تغییر می‌کند. رئوستاها نه با مقدار مقاومت‌شان، بلکه با عملکردشان در موارد کنترل توان‌های بالا شناخته می‌شوند.

مقایسه پتانسیومتر ها و انکودرهای چرخشی

انکودر چرخشی یک دستگاه الکترومکانیکی است که موقعیت یا حرکت زاویه‌ای شفت را به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند. پتانسیومتر ها و انکودرهای دوار، چرخش شفت را تشخیص می‌دهند ولی اصول عملکردشان متفاوت است و سطح پیچیدگی مختلف و تنظیمات متفاوتی دارند.

پتانسیومتر ها قطعات آنالوگ هستند، اگرچه انواع دیجیتال آن‌ها نیز موجود است؛ ولی انکودرهای چرخشی قطعات دیجیتال هستند که برای نشان دادن موقعیت از منطق باینری استفاده می‌کنند و برای تبدیل خروجی آن‌ها به یک سیگنال قابل استفاده، یک مدار جداگانه لازم است.

راه‌اندازی پتانسیومترها نسبت به انکودرهای چرخشی آسان‌تر است، محدودیتی در ورودی‌های متغیر ندارند، ولتاژ را به صورت غیر خطی تقسیم می‌کنند و به راحتی می‌توانند دستگاه‌های آنالوگ را کنترل کنند. از سوی دیگر، انکودر های چرخشی می‌توانند به طور پیوسته بچرخند، سیگنال دیجیتال داشته باشند و دقت بالایی ارائه دهند ولی قیمت بالاتری نسبت به پتانسیومتر دارند، ولیکن به دلیل دقت بالای آن‌ها در کنترل موتور، انتخاب ایده آلی برای صنعت، اتوماسیون و رباتیک هستند.

پارامترهای یک پتانسیومتر

پتانسیومترها معمولاً با مقدار مقاومت کل درجه‌بندی و مشخص می‌شوند. این مقدار مقاومت مربوط به کل عنصر مقاومتی، از یک پایه تا پایه دیگر است. بنابراین، یک پتانسیومتر 1 کیلو اهمی دارای مقاومت ثابت 1 کیلو در کل مسیر است.

پارامترهای دیگری که در هنگام انتخاب پتانسیومتر باید در نظر بگیرید عبارتند از:

• توان نامی: حداکثر توانی که قطعه می‌تواند تحمل کند بدون اینکه آسیب ببیند.

• دقت: دقت پتانسیومتر به صورت درصدی از مقاومت کل و میزان تغییر مقاومت با جابجایی روی عنصر مقاومتی بیان می‌شود.

• نویز: میزان نویز الکترونیکی که بر اثر حرکت قطعات داخلی به وجود می‌آید.

• ضریب دما: نسبت تغییر مقاومت یک پتانسیومتر با تغییر دما را بیان می کند. برای مثال اگر ضریب دمای پتانسیومتر مثبت باشد، به این معناست که با افزایش دما، مقدار مقاومت افزایش می‌یابد.
• طول عمر مکانیکی: طول عمر قطعه براساس مشخصات آن می‌باشد که معمولاً به صورت تعداد چرخه بیان می‌شود.

شماتیک پتانسیومتر در مدار

علائم پتانسیومتر در طراحی مدار الکترونیکی ممکن است متفاوت باشند. برای مثال، در استاندارد ANSI (آمریکایی) دو خط مستقیم با خطوط زیگزاگ بین آن‌ها نشان داده می‌شود اما در استاندارد IEC (اروپایی) یک مستطیل بین دو خط مستقیم است.

قطعات معمولاً با یک مقدار مقاومت دقیق مشخص می‌شوند، مانند 10 اهم و 10 کیلو اهم. همچنین ممکن است با یک عدد سه رقمی مشخص شوند که دو رقم اول نشان دهنده مقدار آن و رقم آخر نشان‌دهنده ضریب است. پتانسیومتر های ساخته شده در ایالات متحده و آسیا معمولا با علامت A برای تیپرهای لگاریتمی، B برای تیپرهای خطی و C برای تیپرهای لگاریتمی معکوس مشخص می‌شوند.

نکات مهم هنگام انتخاب پتانسیومتر

سؤالات اساسی که برای انتخاب انواع پتانسیومتر در پروژه مورد نظر باید به آنها پاسخ داده شود عبارتند از:

• مشخصات دستگاه مورد نیاز (مقدار مقاومت، محدوده مقاومت، ظرفیت توان و …) چیست؟

• طراحی به عملکرد چرخشی نیاز دارد یا کشویی؟

• به تیپر خطی نیاز است یا لگاریتمی؟

• طول عمر پتانسیومتر با توجه به مشخصات آن چقدر است؟

• در چه محیط هایی قابل استفاده است؟

• چه فوت‌ پرینتی ای لازم است؟

• چگونه نصب خواهد شد؟

کاربرد پتانسیومتر چیست؟

همانطورکه قبلاً ذکر شد، پتانسیومترها معمولاً برای کنترل مقادیر در دستگاه‌ها یا سیستم‌های صوتی و تصویری از جمله ولوم صدا، روشنایی، کنتراست و رنگ استفاده می‌شوند. همچنین می‌توانند برای اندازه‌گیری ولتاژ در تجهیزات تست و برای سنجش موقعیت در سیستم‌های کنترل فرآیند و اتوماسیون استفاده شوند. انعطاف‌پذیری آن‌ها و حتی امکان استفاده به عنوان رئوستا به پتانسیومترها اجازه می‌دهد تا از این حوزه‌های کاربردی رایج فراتر رفته و در هر کاربرد آنالوگ و بسیاری از کاربردهای دیجیتال ورود کنند. برای کنترل مدار یا دریافت بازخورد از یک مدار نیز می‌توان از پتانسیومتر استفاده کرد.