Переменные резисторы

Все электронные компоненты делятся на два класса активные и пассивные. К классу пассивных относятся резисторы.

Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. На их долю приходится от 20 до 45%, т. е. почти до половины общего количества радиодеталей в устройстве. Напомним  основные  теоретические положения.

Принцип работы резистора.

Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Функция резисторов - это регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.

В зависимости от выполняемых функций различают:

• резисторы постоянные, с фиксированной при изготовлении величиной сопротивления,
• и переменные резисторы, величина сопротивления которых может быть изменена путем перемещения подвижного контакта.

Известны два способа включения переменных резисторов в схему: потенциометрический и реостатный.

Под "потенциометром " понимают переменный резистор, предназначенный для работы в потенциометрической схеме.

На практике широкое распространение получили оба способа, используемые в равной мере. Производитель и поставщик электронных компонентов заранее не может знать, в какой именно схеме будет использоваться его изделие.

Напомним, что термин "потенциометр", имеет два совершенно различные значения:

1. электроизмерительный компенсатор, прибор для определения ЭДС или напряжений компенсационным методом измерений.

С использованием мер сопротивления потенциометр может применяться для измерения тока, мощности и др. электрических величин, а с использованием соответствующих измерительных преобразователей — для измерения различных неэлектрических величин: температуры, давления, состава газов ( со-потенциометр обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения, с включенными последовательно резистором и потенциометром между входным контактом контроллера и заземлением), плотности.

Различают потенциометры постоянного и переменного тока.

В потенциометре постоянного тока измеряемое напряжение сравнивается с эдс нормального элемента. Поскольку в момент компенсации ток в цепи измеряемого напряжения равен нулю, измерения производятся без отбора мощности от объекта измерения. Точность измерений при помощи таких потенциометров достигает 0,01%, а иногда и выше.

В электронных автоматических потенциометрах, как постоянного, так и переменного тока измерения напряжения выполняются автоматически; при этом компенсация измеряемого напряжения осуществляется посредством исполнительного механизма (электродвигателя), перемещающего соответствующие движки на сопротивлениях (реохордах) потенциометра.

Исполнительный механизм управляется напряжением небаланса (разбаланса) - разностью между компенсируемым и компенсирующим напряжениями.

Результаты измерений в электронных автоматических потенциометрах выводятся в цифровой форме, что позволяет вводить полученные данные непосредственно в ЭВМ. Помимо измерений, электронные автоматические потенциометры могут выполнять функции регулирования параметров производственных процессов.

В этом случае движок реохорда устанавливают в определённое положение, задающее, например, требуемую температуру объекта регулирования, а напряжение небаланса потенциометры подают на исполнительный механизм, соответственно увеличивающий (уменьшающий) электрический нагрев или регулирующий поступление горючего.

Цифровые потенциометры являются надежной альтернативой механическим потенциометрам и превосходят их по прочности конструкции, точности разрешения, низкому уровню шумов, а также по возможности дистанционного управления.

Конструктивно потенциометры выполнены в виде цепи последовательно соединенных резисторов с управлением токосъема посредством внешнего интерфейса. Выпускаются устройства с линейной или логарифмической зависимостью сопротивления от положения движка. Также, в корпусе микросхемы может быть интегрировано до шести цифровых потенциометров.

2. Делитель напряжения с плавным регулированием сопротивления, устройство (в простейшем случае в виде проводника с большим омическим сопротивлением, снабженного скользящим контактом), при помощи которого на вход электрической цепи может быть подана часть данного напряжения.

Такие делители напряжения применяются в радиотехнике и электротехнике, в аналоговой вычислительной и в измерительной технике, а также в системах автоматики, например в качестве датчиков линейных и угловых перемещений.

Мы используем второе значение термина "потенциометр".

Очень часто вместо термина "потенциометр" используют термин "переменный резистор". Однозначного подхода к использованию терминов нет.

Так ряд производителей в кодировке своих изделий потенциометров используют термин "переменный резистор" и первые символы кода представляют  как "RV" от слов "Resisror variable ", но в технической документации (спецификации, чертежах  описании и т. д. ) используют термин "потенциометр".

Переменный резистор как регулируемый делитель является универсальным изделием для различных приложений.

Основные принципы работы переменного резистора.

При помощи подвижного ползунка некоторый потенциал снимается с элемента сопротивления, имеющего определенное общее напряжение. Следуя этому принципу деления напряжения переменный резистор может использоваться как источник стандартных значений и как датчик позиций. Допустимое напряжение зависит от размера и общего сопротивления.

Элементы сопротивления переменного резистора

Различают следующие элементы сопротивления:

а) Проволока как элемент сопротивления - это очень традиционное исполнение.

В зависимости от значения общего сопротивления используются различные металлические легирующие элементы. Преимущества проволоки, как элемента сопротивления: возможны малые допуски на линейность, на сопротивление и на температурный коэффициент.

Сопротивления общего назначения могут изготавливаться малыми сериями. При этом переменные резисторы отличают прекрасные электрические данные, низкие затраты на изготовление, высокая гибкость.

Недостатками являются низкая разрешающая способность из-за перехода с витка на виток, относительно невысокий срок эксплуатации из-за стирания, высокий электрический уровень шума связанный с износом, малая пригодность при ударных и вибрационных нагрузках и высокой скорости перестановки.

б) Элементы сопротивления гибридной техники.

Эта техника предлагается на рынке лишь немногими изготовителями. Она представлена промежуточным решением между проволокой и проводящими искусственными материалами, как элементами сопротивления. Витки проволоки заполняются в специальном процессе в толстослойной массе и весь элемент покрывается этой пастой.

в) Проводящие искусственные материалы как элементы сопротивления.

Эта современная технология используется прежде всего в современных одновитковых переменных резисторах, и при этом может быть достигнут очень высокий срок их эксплуатации.

Преимущества этой техники: очень высокий срок эксплуатации, практически бесконечная разрешающая способность, высокая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, высокое число оборотов.

Однако, малые допуски при этом реализовать достаточно трудно, отсюда дороговизна изделий. Плохой температурный коэффициент делает их пригодными только для потенциометров с <360° p="">

Механический угол поворота потенциометра

Очень часто и особенно рукой тяжело установить точное желаемое значение, так как это требует точного позиционирования оси переменного резистора, соединенной с ползунком на высокоразрешающем элементе сопротивления. Поэтому различают:

а) Многооборотный переменный резистор.

Примером таких резисторов являются СП5-35. Много лет уже широко известен прецизионный резистор на 10 механических оборотов, то есть с механическим углом поворота до 360°. Исполнение в проволочной гибридной технике может быть приобретено за очень низкую цену.

Из-за очень больших количеств таких переменных резисторов выпускаемых в мире они используются как точные регулировщики напряжения на передних платах измерительных, управляющих и регулирующих приборов. Чем больше механический угол поворота, и тем самым механическое число поворотов, тем выше точность установки.

б) Переменный резистор с одним механическим оборотом (угол поворота 360°)

Этот вид часто используется как аналоговый датчик угла поворота. Для многих применений вполне достаточно одного поворота для всего интервала сопротивления, особенно если весь интервал сопротивления должен быстро выставляться.

Механические виды - наиболее часто используемыми видами являются:

а) Крепления в одной точке
Такие крепления часто используются в сочетании с регуляторами ручного управления или при малых скоростях установки.

Прецизионные резисторы с одноточечным креплением почти всегда оснащены прецизионным подшипником скольжения в нарезной втулке. Поэтому оно рекомендуется только для медленной скорости установки без радиальных и аксиальных нагрузок на ось резистора. Эти переменные резисторы экономически более выгодны, чем соответствующие им резисторы с сервофланцем или с шарикоподшипником.

б) Прецизионный резистор с синхрофланцем (сервофланцем либо шарикоподшипником)
Такие подшипники используются чаще всего в сочетании с моторами и другими элементами привода. Подшипником почти всегда является прецизионный шарикоподшипник, который выдерживает намного более высокое число оборотов, как и более высокие аксиальные и радиальные нагрузки.

При этом монтаж происходит либо с тремя нарезными отверстиями в фланце, либо с тремя, так называемыми, синхронизационными скобами. Такое строение используется в первую очередь для применения потенциометра, как аналогового датчика угла.

Моторные переменные резисторы.

В измерительной, управляющей и регулирующей технике очень часто переменные резисторы используются с приводом от различных моторов.

Существуют различные моторы:

• маленькие моторы постоянного тока (якорь без железа), особенно пригодные для самых низких напряжений разбега,
• миниатюрные шаговые моторы,
• сервомоторы переменного тока.

Все эти моторы могут быть снабжены жесткой передачей с большим числом редуцирований. Основа моторных резисторов включает в себя прежде всего соответствующее сопряжение (а также скользящее сопряжение) как и необходимые детали крепления.

Переменные резисторы характеризуются следующими основными параметрами.

Номинальное значение сопротивления Rном. Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (мОм). Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе изделия.

Допустимое отклонение действительного сопротивления  от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности.

Номинальное значение мощности рассеивания переменного резистора Rном. Этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Это наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через переменный резистор он может работать длительное время без повреждений.

Мощность Рном, ток I, протекающий через резистор, падение напряжения U на резисторе и его сопротивление r связаны зависимостью: P=UI U=IRВ большинстве устройств радиоэлектронной аппаратуры применяют переменные резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,05 до 2 Вт.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора. Характеризует относительное изменение сопротивления  переменного резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С и выражается в процентах.

В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли - единицы процента. Собственные индуктивность и емкость. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.

Функциональные и конструктивные особенности переменных резисторов.

Таких характеристик несколько. Перечислим их.

Функциональная зависимость (кривая регулирования). Кривая, которая показывает зависимость величины сопротивления между подвижным контактом и одним из неподвижных контактов проводящего элемента от угла поворота. По характеру функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные и нелинейные. Характер нелинейной зависимости определяется схемными задачами, для решения которых предназначен резистор. Наиболее распространенные нелинейные зависимости — логарифмические и обратно-логарифмические.

Разрешающая способность.

Важная характеристика переменных резисторов, показывающая, какое наименьшее изменение угла поворота подвижной системы резистора может быть различимо.

Ее характеризуют минимально допустимым изменением сопротивления при весьма малом перемещении подвижного контакта. У непроволочных резисторов разрешающая способность теоретически неограниченна и лимитируется дефектами и неоднородностями проводящего слоя, контактной щетки и величиной переходного контактного сопротивления.

Шумы вращения.

При вращении подвижной системы резистора, помимо тепловых и токовых шумов на выходное напряжение, зависящее от угла поворота, накладывается еще одна составляющая — напряжение шумов вращения. Их уровень значительно превышает тепловые и токовые шумы в резисторе и достигает 30 –40 дБ. Шумы вращения особенно характерны для непроволочных потенциометров.

Источниками шумов вращения могут быть: шумы переходного сопротивления, возникающие в результате появления контактной разности потенциалов между щеткой и резистивным элементом; термоэлектродвижущая сила, возникающая от нагрева проводящего элемента при быстром вращении подвижной системы.