Изучаем переменный резистор

Назначение обычных резисторов, которые ранее назывались сопротивлениями (что следует из значения слова resisto), — оказывать сопротивление протекающему через них электротоку. Отсюда и конструкция первых резисторов (если не считаться с низкоомными проволочными элементами) — проводящий материал (сажа или графит) смешивался с непроводящим органическим материалом, а дальше эта смесь оформлялась в виде объемной массы либо наносилась в виде пленки на изоляционное основание. Чем больше было в массе непроводящего материала и меньше проводящего, тем выше было сопротивление резистора электротоку.

История изобретения

Когда по ходу проведения опытов по электричеству или при эксплуатации электро- и радиоприборов возникла необходимость в резисторах, сопротивление которых электротоку требовалось оперативно менять, появился реостат. Данное устройство представляло собой обмотку из проволоки с высоким удельным сопротивлением, по которой двигался токопроводящий ползунок.

Сопротивление реостата зависело от положения ползунка и изменялось от нулевого до полного сопротивления обмотки. Изобретен реостат был в 1842 году немецким физиком Иоганном Христианом Поггендорфом.

В эпоху первых ламповых радиоприемников и радиостанций реостатами поддерживалось постоянным напряжение накала электронных ламп по мере разряда батарей накала. Радиолюбители изготавливали их самостоятельно.

Для регулировки громкости в радиоприемниках требовались высокоомные переменные резисторы. Их изготавливали по принципу композиционных радиоэлементов — проводящий материал наносился на изолирующую подложку в форме вытянутого прямоугольника или подковообразной диэлектрической пластины, по которому скользила пружинистая дужка из проводящего материала (токоотвод), связанная с механизмом регулировки. Введенное в схему сопротивление зависело от положения дужки и также изменялось от близкого к 0 до максимального.

Точный смысл наименования «переменный резистор» предполагает, что элемент имеет 2 вывода (один от проводящего материала, другой от ползунка), но ничто не мешало снабдить переменный резистор 3 выводами — от обоих концов проводящего материала и ползунка. Сопротивление между концами проводящего материала оставалось неизменным, а в схему можно было вводить сопротивление между ползунком и любым из концов проводящего материала, что расширяло возможности регулировки.

Переменный резистор с 3 выводами получил название «потенциометр». Изобретен он в 1843 году британским физиком Чарльзом Уитстоном (для применения в известном мосту Уитстона). Название «потенциометр» достаточно неудачное. Как правило, в словах окончание «метр» (амперметр, вольтметр, спидометр, термометр) означает «измеряю». Но потенциометр не измеряет потенциал (или разность потенциалов — электронапряжение). Данный элемент делит электронапряжение в отношении, задаваемом положением движка.

Именно это свойство потенциометра позволяет пользоваться им для регулирования громкости звуковоспроизводящего устройства, изменяя напряжение звукового сигнала на входе усилителя. Два крайних вывода потенциометра подключаются к источнику электротока, а регулируемое электронапряжение снимается с движка.

Типы функциональных характеристик

Что такое функциональная характеристика потенциометров или переменных резисторов — это зависимость присутствующего в схеме сопротивления от положения движка линейного потенциометра или угла поворота кругового. При равномерной плотности токопроводящего материала на подложке потенциометра данная зависимость будет линейной. Это удобно для регулировки напряжения источника питания или генератора, но оказывается совершенно непригодным при регулировке громкости, что определяется физиологией слухового аппарата человека.

Согласно психофизиологическому закону Вебера-Фехнера, субъективное ощущение громкости прямо пропорционально связано с логарифмом интенсивности звука. Оттого при использовании в радиоприемнике регулятора громкости с линейной характеристикой наблюдается противоречие: громкость при первых оборотах регулятора резко возрастает, но при его дальнейших вращениях изменения громкости становятся неощутимыми.

Для компенсации логарифмической зависимости изменения громкости относительно интенсивности звука характеристика электронапряжения с потенциометра, используемого в регуляторе звука, должна быть обратно-логарифмической.

Все переменные резисторы, выпускаемые для регулировки громкости, обладают функциональной зависимостью под названием тип В. Потенциметры с линейным графиком введенного сопротивления от угла поворота — это устройства типа А. Третий тип зависимости (логарифмический) обозначается, как Б.

Если подключить потенциометры с разными функциональными характеристиками к источнику напряжения 12 Вольт, при среднем положении движка регулятор типа А выдаст электронапряжение 6 В, регулятор типа В — всего около 1 В, а типа Б — все 11 В. При крайних положениях движка все 3 потенциометра выдадут 0 В и 12 В.

Виды потенциометров

На данный момент выпускается огромное разнообразие переменных резисторов. По своему устройству они делятся на проволочные и пленочные, а по функциональному назначению — переменные и подстроечные.

Существуют потенциометры с промежуточными ответвлениями — одним, двумя или тремя. Они применяются в схемах тонкомпенсированной регулировки громкости, что связано с частотной зависимостью чувствительности слуха. Другое назначение отводов — создание регуляторов с отличными от стандартных А, Б, В функциональными характеристиками.

Для особых целей, когда требуется согласованное изменение электрического сопротивления в 2 цепях, выпускаются сдвоенные потенциометры, снабженные единой осью, но двумя резистивными дорожками с собственными выводами и ползунками. Необходимы такие типы переменных резисторов, например, для одновременной регулировки громкости двух каналов стереофонического усилителя и в полосовых фильтрах либо частотно-задающих цепях генераторов частоты на основе моста Вина.

К разновидности сдвоенных потенциометров относятся и те элементы, которые имеют раздельную регулировку параметров.  Их называют соосными. У них тонкий вал одного потенциометра проходит через полый вал другого, каждый вал снабжен своей ручкой.

Существуют поворотные переменные резисторы с переключателем, служащим для включения и выключения устройства, что позволяет уменьшить количество органов управления на его панели.

Специальные потенциометры и подстроечные

Для целей дистанционной регулировки выпускаются резисторы, управляемые не механическим действием, а электронным способом. Их называют цифровыми потенциометрами. Более современными типами являются интегральные схемы, объединяющие до 100 соединенных последовательно постоянных резисторов, переключаемых полевыми транзисторами.

Угол поворота оси потенциометра обычно находится в пределах 270 или 320 градусов. Элементы с малым углом поворота используются в джойстиках.

Особым типом являются многооборотные или спиральные потенциометры, в которых проводящий элемент имеет вид спирали на изоляционном корпусе. Эти резисторы применяются для подстройки частоты в приемниках или передатчиках. Настройка осуществляется при повороте ручки на 5, 10 или даже 40 оборотов.

Существуют еще подстроечные переменные резисторы (триммеры), впаиваемые в печатную плату. Как правило, приборы, снабженные таким переменным сопротивлением, настраиваются под требуемые характеристики на заводе-изготовителе. Триммеры обычно выпускаются типа А, снабжены шлицом и регулируются посредством отвертки, после чего положение фиксируется лаком.

Основные характеристики переменных резисторов

Потенциометры, как и любые другие радиотехнические элементы, имеют собственные электрические и физические характеристики. К основным относят:

Номинальное сопротивление переменных резисторов выбирается из шести стандартных рядов — Е3, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192.

Указывается номинальное сопротивление на корпусе с помощью буквенно-числового кода. Например, М15 означает 0.15 МОм, а 15k — 15 кОм и т. п.

Сопротивление переменного резистора зависит от температуры, поэтому учитывается ТКС — температурный коэффициент сопротивления. Данная характеристика отображает относительное изменение сопротивления на каждый градус изменения температуры. Обычно ТКС составляет величину порядка ±1000×10^-6 1/°C, а при особых требованиях от ±1×10^-6 1/°C до ±100×10^-6 1/°C.

Чтобы избежать перегрева переменного резистора в силовых электроцепях, рассеиваемая на нем мощность не должна превышать номинальную мощность.

Все характеристики потенциометров приводятся в соответствующих справочниках.

Обозначение и маркировка

На схеме переменные резисторы обозначаются таким же прямоугольником, как и постоянные, но с указанием дополнительного вывода. Данный вывод может изображаться двумя взаимоперпендикулярными линиями или линией со стрелкой. Последний вариант — это обозначение для регулируемого переменного резистора.

По ГОСТ 11.074.009-78 принята маркировка для переменных резисторов буквами РП. За ними идут цифры 1 или 2. Этими цифрами обозначается вариант конструктивного исполнения: 1 — непроволочный резистор, 2 — проволочный. Через тире указывается регистрационный номер разработки. Расшифровка остальных буквенно-цифровых меток представлена на рисунке ниже.

Многие зарубежные производители используют кодовую маркировку резисторов. В этом случае номинал зашифровывается первыми двумя цифрами, а множитель, определяющий положение запятой десятичного знака, — буквой. Чтобы определить номинал радиоэлемента с кодовой маркировкой понадобится справочник, в частности таблица с расшифровкой кода по цифрам и буквам.

Распиновка переменных резисторов и их проверка

Распиновка (расположение выводов), а также схема подключения переменного резистора отображены на рисунке ниже.

Проверка резисторов переменного сопротивления осуществляется по такому же принципу, что и постоянного. Обычно она выполняется мультиметром. Положение его щупов произвольное, поскольку полярность подаваемого тестового электронапряжения не имеет значения.

Перед тем как проверить резистор, следует выбрать диапазон измерений. Поскольку основной проблемой потенциометров является ухудшение со временем контакта между движком и токопроводящим элементом, то необходимо проверить работоспособность элемента. Установив мультиметр в режим омметра, его щупами следует прикоснуться к центральному выводу потенциометра и к одному из крайних. Далее медленно вращая ось резистора, надо наблюдать за показаниями прибора. Если деталь исправна, то показания будут изменяться без скачков, то есть, плавно. Проверку следует повторить для второго крайнего вывода.

Чтобы узнать значение минимального сопротивления, бегунок потенциометра надо выставить в нулевое положение. Щупы мультиметра необходимо подсоединить к крайнему левому и среднему выводам. Полученные значения сравниваются с заявленным диапазоном номиналов. Они могут отклоняться в меньшую или большую сторону, но должны находиться в рамках допуска. При измерении максимального сопротивления щупы следует подключить к крайним выводам.

Включение в цепь переменного тока

Обычный реостат, представляющий собой обмотку из высокоомного провода, по определению обладает активным сопротивлением, обусловленным омическим сопротивлением, а также реактивным, связанным с индуктивностью обмотки. При постоянном электротоке и низких частотах индуктивность никакого влияния на сопротивление не оказывает, но с ростом частоты переменного электротока это влияние возрастает.

Обычный потенциометр имеет некоторую емкость (паразитную) между выводами, что также меняет характер его полного сопротивления на высоких частотах. Как правило, частотные свойства переменных резисторов в их характеристиках не приводятся. Большинство из них рассчитаны на работу в низкочастотных цепях. Поэтому резистор в цепи переменного тока ведет себя согласно своим паразитным емкости и индуктивности.

В зависимости от того как подключить переменный резистор к цепи, он будет играть роль реостата или потенциометра. В первом варианте устройство изменяет силу электротока, во втором — электронапряжение. Чтобы получить реостат, задействуют один из крайних выводов и подвижный контакт. Как потенциометр резистор работает при подключении всех контактов, представляя собой делитель электронапряжения.

Выбор резистора на основе расчетов

Выстраивая цепь переменного тока с регулируемым резистором, необходимо учитывать его основные характеристики, а именно — сопротивление и мощность рассеивания. Сначала, подбирая резистор, надо узнать величину переменного сопротивления. Для этого используем закон Ома: I = U/R. Далее следует рассчитать мощность по формуле P = UI.

Как пример рассмотрим такую задачу: подобрать резистор для регулировки электронапряжения от 0 до 30 В в цепи с силой электротока 50 мА:

1. Находим сопротивление — 30/0.05 = 600 Ом.
2. Значение мощности — 30×0.05 = 1.5 Вт.

Следовательно, нам нужен потенциометр 600 Ом, мощность которого 1.5 Вт, но так мы получим оптимальные значения, на практике нужно выбирать потенциометр с запасом по некоторым характеристикам.

Подключение к электроцепи переменного резистора позволяет изменять ее параметры непосредственно в ходе работы. Поэтому он применяется в электроприборах разного назначения. С помощью переменного сопротивления можно регулировать звук, частоту, яркость света. Одним словом, принцип работы этого радиоэлемента используют в тех устройствах, которые позволяют изменять настройки с помощью бегунков или вращения рукояток.

Видео по теме