پتانسیومتر، که در محاوره به آن «pot» گفته می‌شود، یک قطعه آنالوگ دوار مکانیکی با سه ترمینال است که می‌تواند در انواع مختلفی از مدارهای الکتریکی و الکترونیکی یافت و مورد استفاده قرار گیرد. آنها قطعات پسیو هستند، به این معنی که برای انجام عملکرد پایه خطی یا چرخشی خود به منبع تغذیه یا مدار اضافی نیاز ندارند.
پتانسیومترهای متغیر در انواع مختلف مکانیکی موجود هستند که امکان تنظیم آسان ولتاژ، جریان یا بایاس و کنترل بهره مدار را برای به دست آوردن شرایط صفر فراهم می‌کنند.
نام «پتانسیومتر» ترکیبی از کلمات اختلاف پتانسیل (Potential Difference) و سنجش (Metering) است که از روزهای ابتدایی توسعه الکترونیک به وجود آمده است. در آن زمان تصور می‌شد که با تنظیم سیم پیچ‌های بزرگ مقاومتی، مقدار مشخصی اختلاف پتانسیل را می‌توان اندازه گیری کرد؛ این به نوعی پتانسیومتر را به دستگاه سنجش ولتاژ تبدیل می‌کند.
امروزه پتانسیومترها از مقاومت‌های متغیر بزرگ و زمخت قدیمی بسیار کوچکتر و دقیق‌تر هستند و مانند اکثر قطعات الکترونیکی، انواع و نام‌های مختلفی از آنها وجود دارد، از جمله مقاومت متغیر، پیش تنظیم، تریمر، رئوستا و البته پتانسیومتر متغیر.
اما این قطعات هر نامی که داشته باشند، عملکرد دقیقا یکسانی دارند: با حرکت یک کنتاکت (اتصال) مکانیکی یا لغزنده (wiper) که توسط عوامل خارجی ایجاد می‌شود، می‌توان مقدار مقاومت خروجی آنها را تغییر داد.
اصطلاح پتانسیومتر و مقاومت متغیر غالبا با هم و برای توصیف یک قطعه استفاده می‌شوند، اما درک این نکته مهم است که اتصالات و عملکرد این دو متفاوت است. با این حال، هر دو دارای خصوصیات فیزیکی یکسانی هستند: دو انتهای مقاومت داخلی به دو پایه خارجی متصل شده‌اند، علاوه بر این یک اتصال به یک کنتاکت متحرک به نام «لغزنده» یا «wiper» متصل است.
همانطور که نشان داده شده است، وقتی به عنوان پتانسیومتر استفاده می‌شود، از پایه‌های دو انتها و همچنین پایه لغزنده استفاده می‌کنیم. موقعیت لغزنده یک سیگنال خروجی مناسب (پایه ۲) فراهم می‌کند که بین سطح ولتاژ اعمال شده به یک انتهای مسیر مقاومت (پایه ۱) و دیگری در سر دیگر (پایه ۳) متغیر خواهد بود.
پتانسیومتر یک قطعه مقاومتی سه پایه است که به عنوان یک تقسیم کننده ولتاژ عمل کرده و یک سیگنال ولتاژ خروجی دائما متغیر تولید می‌کند که متناسب با موقعیت فیزیکی لغزنده در طول مسیر است.
مقاومت متغیر
همانطور که نشان داده شده است، هنگامی که به عنوان یک مقاومت متغیر استفاده می‌شود، اتصالات تنها به یک انتهای مسیر مقاومتی (پایه ۱ یا پایه ۳) و لغزنده (پایه ۲) ایجاد می‌شود. از موقعیت لغزنده برای تغییر مقدار مقاومت موثر بین خود (کنتاکت متحرک) و پایه ثابت استفاده می‌شود.
گاهی اوقات برای جلوگیری از به وجود آمدن شرایط مدار باز، بهتر است بین پایه استفاده نشده از مسیر مقاومتی و لغزنده، یک اتصال الکتریکی ایجاد شود.
پس مقاومت متغیر یک قطعه مقاومتی دو پایه است که مقادیر نامحدودی از مقاومت را ارائه داده و جریان مدار را متناسب با موقعیت فیزیکی لغزنده در امتداد مسیر مقاومتی، کنترل می‌کند. توجه داشته باشید که یک مقاومت متغیر که برای کنترل جریان‌های بسیار زیاد موجود در بارهای لامپ یا موتور استفاده می شود، رئوستا نامیده می‌شود.
انواع دستگاه پتانسیومتر
پتانسیومترهای چرخشی و خطی دو نوع اصلی این دستگاه ها هستند، از نظر عملکری هر دو نوع کار یکسانی را انجام می دهند ولی ویژگی های ساختی متفاوتی دارند. البته انواع چرخشی و خطی جزء پتانسیومتر های DC می باشند و انواع AC کمی متفاوت هستند. برای خرید دستگاه پتانسیومتر باید دقت خود را به کار بگیریم زیرا این قطعه انواع مختلفی داشته که باید بر اساس استفاده اش خریده شود. مثلا در رادیو و تلویزیون برای کنترل صدا استفاده می شود. همچنین خرید و فروش دستگاه پتانسیومتر مناسب، از نظر ایمنی و راحتی کار اهمیت زیادی دارد.
۱- پتانسیومتر چرخشی
استفاده پتانسیومتر چرخشی در تعیین میزان ولتاژ تغذیه قابل تنظیم در بخشی از مدار های الکتریکی می باشد. یکی از استفاده های دیگر این پتانسیومتر وجود آن در ترانزیستورهای رادیویی است که ولتاژ آن را کنترل کرده و اتصال دهنده تقویت کننده پتانسیومتر به منبع تغذیه در آن دکمه چرخشی می باشد. بین دو ترمینال پایانی این دستگاه مقاومتی به شکل نیم دایره قرار می گیرد، همچنین دارای یک ترمینال میانی است که به وسیله پیچ متحرکی که به دکمه چرخشی وصل است، به مقاومت اتصال می یابد. مکانیسم حرکت پیچ متحرک روی مقاومت نیم دایره، از طریق چرخش این دکمه می باشد.
۲- پتانسیومتر خطی
پیچ مقاومتی که در این پتانسیومتر خطی وجود دارد، بر خلاف نوع چرخشی آن به صورت خطی حرکت می کند، پیچ متحرکی که روی آن وجود دارد، حرکتش خطی می باشد و دو سر مقاومت مستقیما به منبع ولتاژ وصل هستند. یکی از ترمینال ها به پیچ متحرک وصل شده است که به یک انتهای مدار خروجی وصل می شود و ترمینال دیگر مقاومت نیز به انتهای دیگر مدار خروجی وصل می شود. استفاده پتانسیومتر خطی در اندازه گیری مقدار ولتاژ شاخه مدار، میزان مقاومت داخلی المان باتری، پی بردن به تفاوت المان استاندارد با المان باتری، داخل دستگاه های میکس صدا و اکولایزر موسیقی است.
۳- پتانسیومتر دیجیتال
در تنظیم ولتاژ افست، تنظیم فیلترها، کنترل میزان صدا و روشنایی صفحه و تنظیم کردن سیستم از پتانسیومترهای دیجیتالی استفاده می کنیم. این پتانسیومترها قطعاتی با سه پایه هستند که یکی از پایه ها متحرک بوده و از آن برای تنظیم میزان ولتاژ خروجی استفاده می شود و دو پایه دیگر آن ثابت هستند. از آنجایی که پتانسیومترهای فیزیکی مشکلات و عیب های فراوانی از جمله سایش، آلوده شدن قطعات، مشکل در اندازه، رطوبت، حساسیت به لرزش و تغییر ناچیز مقاومت دارند، پتانسیومترهای دیجیتالی جایگزین آن ها شده اند. در واقع عامل اصلی استفاده بیشتر از پتانسیومترهای دیجیتالی به نسبت مکانیکی دقت بیشتر این دستگاه است.
مزایای دستگاه پتانسیومتر دیجیتال
دقت بالاتر و اندازه کوچکتر، اتلاف برق بسیار کم، خطای مجاز آن تا ۱+ یا ۱- می باشد، نداشتن قسمت متحرک، قابل بسته بندی در یک تراشه و تأثیر بسیار اندک شرایط محیطی روی آن، از جمله مزایای پتانسیومتر دیجیتالی می باشد.
معایب دستگاه پتانسیومتر دیجیتال
استفاده از آن در محیط هایی که دما بالاست و توان بالایی مصرف می شود مناسب نیست.
در این پتانسیومترها یک حداکثر فرکانس سیگنال تعریف می شود که پهنای باند نامیده شده و به ظرفیت خازنی سوئیچ های الکترونیکی بستگی دارد و توانایی عبور از پایه های مقاومت موجود در ترمینال که میرایی آن ها از ۳ دسی متر کم است را دارد.
اضافه کردن اعوجاج هارمونیک به سیگنال خروجی که به دلیل غیر خطی بودن مقاومت تنظیم کننده ولتاژ است. TDH یا اعوجاج هارمونیک کار اندازه گیری میزان تخریب سیگنالی که از مقاومت عبور می کند را بر عهده دارد.
رئوستا
تاکنون دیدیم که می‌توان یک مقاومت متغیر را به گونه‌ای پیکربندی کرد که به عنوان مدار تقسیم ولتاژ عمل کند، که نام پتانسیومتر به آن داده شده است. اما همچنین می‌توان یک مقاومت متغیر را برای تنظیم جریان پیکربندی کرد و این نوع پیکربندی معمولا به عنوان رئوستا شناخته می‌شود.
رئوستاها مقاومت‌های متغیر دو پایه هستند که برای استفاده از یک ترمینال انتهایی و ترمینال لغزنده پیکربندی شده‌اند. ترمینال انتهایی استفاده نشده را می‌توانیم بدون اتصال رها کرده یا مستقیما به لغزنده متصل کنیم. این‌ها دستگاه‌های سیم پیچی هستند که از سیم پیچ‌های مفتولی پر دوام لعاب کاری شده تشکیل شده‌اند و مقاومت را با افزایش‌های مرحله‌ای تغییر می‌دهند. با تغییر موقعیت لغزنده بر روی عنصر مقاومتی، می‌توان مقدار مقاومت را کم یا زیاد کرده و بدین ترتیب میزان جریان را کنترل کرد.
پس رئوستا برای کنترل جریان با تغییر مقدار مقاومت آن استفاده می‌شود و این امر آن را به یک مقاومت متغیر واقعی تبدیل می‌کند. مثال کلاسیک استفاده از رئوستا، کنترل سرعت یک مجموعه قطار مدل یا Scalextric است که در آن میزان جریان عبوری از رئوستا توسط قانون اهم تنظیم می‌شود. پس رئوستاها نه تنها با مقادیر مقاومت، بلکه با قابلیت مدیریت توان (P = I۲ × R) نیز تعریف می شوند.
رئوستا به عنوان تنظیم کننده جریان
در شکل بالا، مقاومت موثر رئوستا بین پایه انتهایی ۳ و لغزنده در پایه ۲ است. اگر پایه ۱ بدون اتصال باقی بماند، مقاومت مسیر بین پایه ۱ و پایه ۲ به صورت مدار باز است و هیچ تاثیری در مقدار جریان بار ندارد. برعکس، اگر پایه ۱ و پایه ۲ به هم متصل شوند، آن قسمت از مسیر مقاومتی اتصال کوتاه می‌شود و باز هم تاثیری در مقدار جریان بار ندارد.
از آنجا که رئوستاها جریان را کنترل می‌کنند، بنابراین طبق تعریف، باید برای کنترل جریان بار پیوسته، درجه بندی مناسبی داشته باشند. پیکربندی پتانسیومتر سه پایه به عنوان رئوستای دو پایه امکان پذیر است، اما ممکن است مسیر مقاومتی کربنی نتواند جریان بار را عبور دهد. همچنین کنتاکت لغزنده یک پتانسیومتر معمولا ضعیف ترین نقطه است، بنابراین بهتر است که جریان کمتری از طریق لغزنده کشیده شود.
با این حال توجه داشته باشید که اگر مقاومت بار RL خیلی خیلی بیشتر از مقاومت کل رئوستا باشد (یعنی RL >> RRHEO)، رئوستا برای کنترل جریان بار مناسب نیست. مقدار مقاومت بار باید خیلی خیلی کمتر از رئوستا باشد تا جریان بار جاری شود.
عموما رئوستاها مقاومت‌های متغیر الکترو مکانیکی با توان بالا هستند که برای کاربردهای قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند و عنصر مقاومتی آنها معمولا از سیم مقاومت ضخیم ساخته می‌شوند تا جریان حداکثر I را در مقاومت حداقل R از خود عبور دهند.
رئوستاهای سیم پیچی عمدتا در کاربردهای کنترل قدرت مانند مدارهای کنترل لامپ، بخاری یا موتور استفاده می‌شوند تا جریان‌های میدان برای کنترل سرعت یا جریان شروع موتورهای DC و غیره را تنظیم کنند. انواع مختلف رئوستا وجود دارد اما رایج‌ترین آنها نوع گردان چنبره‌ای است که از ساختار باز برای خنک سازی استفاده می‌کنند، اما انواع بسته نیز در دسترس هستند.
رئوستای کشویی
رئوستاهای کشویی لوله‌ای از انواع موجود در آزمایشگاه‌های فیزیک و آزمایشگاه‌های علوم در مدارس و دانشگاه‌ها هستند. در این نوع خطی یا کشویی، از سیم پیچ مقاومتی در اطراف یک لوله یا هسته استوانه‌ای عایق استفاده می‌شود. همانطور که نشان داده شده، کنتاکت کشویی (پایه ۲) که در بالا نصب شده است، به صورت دستی به چپ یا راست تنظیم می‌شود تا مقاومت موثر رئوستا را افزایش یا کاهش دهد.
همانند پتانسیومترهای گردان، رئوستاهای کشویی گروهی (چند باند) نیز موجود است. در برخی از انواع، اتصالات الکتریکی ثابت به سیم مقاومتی ایجاد می‌شود تا مقاومت ثابت بین هر دو ترمینال داشته باشد. چنین اتصالات میانی به طور کلی به عنوان تَپ (Tapping) شناخته می‌شوند، همان نامی که برای اتصالات مورد استفاده در ترانسفورماتورها نیز به کار می‌رود.
پتانسیومترهای خطی یا لگاریتمی
محبوب‌ترین نوع مقاومت متغیر و پتانسیومتر، نوع خطی یا مخروطی خطی است که وقتی تنظیم می‌شود، مقدار مقاومت آن در پایه ۲ به صورت خطی تغییر می‌کند و منحنی مشخصه‌ای را نشان می‌دهد که نماینده یک خط مستقیم است. این یعنی مسیر مقاومتی همان تغییر مقاومت را در هر زاویه چرخش در کل طول مسیر دارد.
بنابراین اگر لغزنده ۲۰% از کل مسیر را بچرخد، مقاومت آن ۲۰% مقدار حداکثر یا حداقل است. دلیل اصلی ای این امر آن است که عنصر مسیر مقاومتی آنها از کامپوزیت‌های کربن، آلیاژهای فلز-سرامیک یا مواد پلاستیکی رسانا ساخته شده است که دارای مشخصه خطی در کل طول آنها است.
اما عنصر مقاومتی یک پتانسیومتر ممکن است همیشه با تنظیم لغزنده، یک مشخصه خط مستقیم ایجاد نکند و یا یک تغییر خطی در مقاومت در کل مسیر خود نداشته باشد، اما در عوض می‌تواند چیزی را ایجاد کند که تغییر مقاومت لگاریتمی نامیده می‌شود.
پتانسیومترهای لگاریتمی اساسا انواع غیر خطی یا غیر متناسبی از پتانسیومترها هستند که مقاومت آنها به صورت لگاریتمی تغییر می‌کند. پتانسیومترهای لگاریتمی یا «log» معمولا به عنوان کنترل کننده‌های میزان صدا و بهره در کاربردهای صوتی استفاده می‌شوند که در آن میرایی به شکل نسبت لگاریتمی با واحد دسی بل تغییر می‌کند. این بدان دلیل است که حساسیت به سطح صدا در گوش انسان، پاسخی لگاریتمی دارد و بنابراین غیر خطی است.
اگر از پتانسیومتر خطی برای کنترل میزان صدا استفاده کنیم، به گوش خود این تصور را می‌دهیم که بیشتر تنظیم صدا به یک انتهای مسیر پتانسیومتر محدود شده است. اما پتانسیومتر لگاریتمی یک حس تنظیم یکنواخت و متعادل را در طول چرخش کامل کنترل میزان صدا ایجاد می‌کند.
بنابراین، عملکرد یک پتانسیومتر لگاریتمی هنگام تنظیم، آن است که یک سیگنال خروجی تولید کند که با حساسیت غیر خطی گوش انسان مطابقت داشته باشد و باعث شود که افزایش سطح صدا به صورت خطی به نظر برسد. با این حال، برخی از پتانسیومترهای لگاریتمی ارزان‌تر، در تغییرات مقاومت بیشتر نمایی هستند تا لگاریتمی، اما همچنان لگاریتمی نامیده می‌شوند زیرا پاسخ مقاومت آنها در مقیاس لگاریتمی، خطی است. علاوه بر پتانسیومترهای لگاریتمی، پتانسیومترهای ضد لگاریتمی نیز وجود دارد که مقاومت آنها در ابتدا به سرعت افزایش می‌یابد اما بعد از آن متعادل می‌شود.
تمام پتانسیومترها و رئوستاها در انواع مختلف مسیرها یا الگوهای مقاومتی، که به عنوان قانون (law) شناخته می‌شوند، در دسترس هستند، از جمله خطی، لگاریتمی و ضد لگاریتمی. این اصطلاحات معمولا به ترتیب بشکل lin، log و anti-log مخفف می‌شوند.
بهترین روش برای تعیین نوع یا قانون یک پتانسیومتر خاص این است که شفت آن را در مرکز حرکت خود، یعنی تقریبا در نیمه راه، تنظیم کنید و سپس مقاومت دو طرف را از لغزنده تا ترمینال انتهایی اندازه گیری کنید. اگر دو نیمه مقاومت کم و بیش برابر داشته باشند، یک پتانسیومتر خطی است. اگر به نظر می‌رسد که مقاومت در حدود ۹۰% در یک طرف و ۱۰% در طرف دیگر تقسیم شده باشد، احتمال دارد که یک پتانسیومتر لگاریتمی باشد.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.