پتانسیومتر

پتانسیومتر
مقاومت متغیر
انواع پتانسیومتر
پتانسیومتر گردان
پتانسیومتر کشویی
پیش تنظیم و تریمر
رئوستا
مدار سری تقسیم کننده ولتاژ
مثال ۱
پتانسیومتر به عنوان تقسیم کننده ولتاژ
مثال ۲
بارگذاری لغزنده
لغزنده بارگذاری شده پتانسیومتر
رئوستا
رئوستا به عنوان تنظیم کننده جریان
رئوستای کشویی
پتانسیومترهای خطی یا لگاریتمی
خلاصه پتانسیومتر

مقدار مقاومت پتانسیومترها و رئوستاها با چرخش فیزیکی شفت (محور) متصل، تغییر می‌کند.

مقاومت‌ها یک مقدار ثابت مقاومت ایجاد می‌کنند که جریان الکتریکی عبوری از مدار را مسدود یا محدود کرده و همچنین مطابق با قانون اهم، افت ولتاژ ایجاد می‌کنند. مقاومت‌ها را می‌توان به گونه‌ای تولید کرد که دارای یک مقدار مقاومت ثابت با واحد اهم و یا یک مقاومت متغیر باشد که با استفاده از برخی وسایل خارجی تنظیم شود.

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.

مقاومت‌های متغیر در هر قالبی که باشند، به طور کلی با نوعی کنترل مرتبط هستند، مانند تنظیم صدای رادیو، سرعت خودرو، فرکانس یک اسیلاتور (نوسان ساز) یا تنظیم دقیق کالیبراسیون مدار. پتانسیومترهای تک دور و چند دور، تریمرها و رئوستاها کاربردهای زیادی در وسایل برقی روزمره دارند.

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 پتانسیومتر

پتانسیومتر متغیر یک دستگاه آنالوگ است که اساسا از دو قسمت اصلی مکانیکی تشکیل می‌شود:

بخش الکتریکی که از یک عنصر، مسیر یا سیم پیچ مقاومتی ثابت یا ایستا تشکیل شده است و مقدار مقاومت پتانسیومتر را تعیین می‌کند، مانند 1kΩ (1,000 اهم)، 10kΩ (10,000 اهم) و غیره.
بخش مکانیکی که به یک لغزنده یا نقطه تماس اجازه می‌دهد تا در تمام طول مسیر مقاومت از یک سر به سر دیگر حرکت کند و در هنگام حرکت، مقدار مقاومت را تغییر می‌دهد.

روش‌های مختلفی برای حرکت دادن لغزنده در طول مسیر مقاومتی، به صورت مکانیکی یا الکتریکی، وجود دارد.

پتانسیومترها علاوه بر مسیر مقاومتی و لغزنده، از یک محفظه، شفت (محور)، بلوک کشویی و بوش یا یاتاقان تشکیل شده‌اند. حرکت لغزنده یا کنتاکت، خود می‌تواند یک عمل چرخشی (زاویه‌ای) یا خطی (مستقیم) باشد. چهار گروه اصلی پتانسیومتر متغیر وجود دارد.

پتانسیومتر گردان

مقدار مقاومت پتانسیومتر گردان (رایج ترین نوع پتانسیومتر) با حرکت زاویه‌ای تغییر می‌کند. چرخاندن یک دکمه یا پیچ متصل به شفت باعث می‌شود که لغزنده داخلی در طول یک عنصر مقاومتی منحنی حرکت کند. متداول ترین کاربرد پتانسیومتر گردان، پیچ تنظیم صدا است.

پتانسیومترهای گردان کربنی به گونه ای طراحی شده‌اند که با استفاده از مهره حلقه‌ای و واشر قفلی بر روی پانل جلوی قاب، محفظه یا صفحه مدار چاپی (PCB) سوار شوند. آن‌ها همچنین می‌توانند بیش از یک مسیر مقاومتی داشته باشند که به عنوان پتانسیومتر گروهی شناخته می‌شود و همه با استفاده از یک شفت می‌چرخند. به عنوان مثال، یک پتانسیومتر دوتایی برای تنظیم همزمان کنترل صدای چپ و راست رادیو یا تقویت کننده استریو. برخی پتانسیومترهای گردان دارای سوئیچ روشن و خاموش هستند.

پتانسیومترهای گردان می‌توانند خروجی خطی یا لگاریتمی با تلورانس‌های ۱۰ تا ۲۰ درصدی ایجاد کنند. از آنجا که به صورت مکانیکی کنترل می‌شوند، می‌توان از آن‌ها برای اندازه گیری چرخش یک شفت استفاده کرد، اما دامنه حرکت زاویه‌ای یک پتانسیومتر گردان تک دور، از حداقل تا حداکثر مقدار مقاومت، معمولا کمتر از ۳۰۰ درجه است. با این حال، پتانسیومترهای چند دور، موسوم به تریمر، در دسترس هستند که درجه بالاتری از دقت چرخش را امکان پذیر می‌سازند.

پتانسیومترهای چند دور، چرخش شفت بیش از ۳۶۰ درجه حرکت مکانیکی را از یک سر مسیر مقاومتی به سر دیگر امکان پذیر می‌کنند. پتانسیومترهای چند دور گران‌تر اما بسیار با ثبات و دقیق هستند و عمدتا برای اصلاح و تنظیم دقیق استفاده می‌شوند. متداول‌ترین مدل این پتانسیومترها، ۳ دور (۱۰۸۰ درجه) و ۱۰ دور (۳۶۰۰ درجه) است، اما پتانسیومترهای ۵ دور، ۲۰ دور و حتی ۲۵ دور نیز در مقادیر اهمی مختلف وجود دارد.

پتانسیومتر کشویی

پتانسیومتر کشویی یا slide-pot برای تغییر مقدار مقاومت کنتاکت آن‌ها با استفاده از یک حرکت خطی طراحی شده‌اند و به همین ترتیب، بین موقعیت کنتاکت لغزنده و مقاومت خروجی، رابطه‌ای خطی وجود دارد.

از آنجا که پتانسیومتر یکی از ساده‌ترین روش‌های تبدیل موقعیت مکانیکی به ولتاژ متناسب است، می‌توان از آن‌ها به عنوان سنسورهای موقعیت مقاومتی نیز استفاده کرد که به آن‌ها سنسور جابجایی خطی نیز می‌گویند. پتانسیومترهای کشویی مسیر کربن، یک حرکت دقیق خطی (مستقیم) را اندازه گیری می‌کنند که قسمت سنسور یک سنسور خطی، عنصر مقاومتی متصل به یک کنتاکت کشویی است. این کنتاکت به نوبه خود از طریق یک میله یا شفت به مکانیسم مکانیکی مورد اندازه گیری متصل می‌شود. سپس موقعیت اسلاید با توجه به کمیت سنجش شده (مورد اندازه گیری) تغییر می‌کند که به نوبه خود مقدار مقاومت سنسور را تغییر می‌دهد.

پیش تنظیم و تریمر

پتانسیومترهای پیش تنظیم یا تریمر، پتانسیومترهای کوچک از نوع «تنظیم و فراموش» هستند که اجازه می‌دهد تنظیمات بسیار دقیق یا گاه به گاه بر روی مدار انجام شود (به عنوان مثال برای کالیبراسیون). پتانسیومترهای گردان تک دور پیش تنظیم، نسخه‌های مینیاتوری از مقاومت متغیر استاندارد هستند که برای نصب مستقیم روی صفحه مدار چاپی طراحی شده‌اند و با استفاده از پیچ گوشتی کوچک یا ابزار پلاستیکی مشابه تنظیم می‌شوند.

به طور کلی، این پتانسیومترهای پیش تنظیم مسیر کربن خطی، از نوع اسکلت باز یا از نوع مربع بسته هستند که پس از تنظیم مدار در کارخانه، در این تنظیمات باقی می‌مانند و فقط در صورت تغییر در تنظیمات مدار، دوباره تنظیم می‌شوند.

به دلیل داشتن یک سازه باز، پیش تنظیم‌های اسکلتی مستعد تخریب مکانیکی و الکتریکی هستند که عملکرد و دقت آن‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد، بنابراین برای استفاده مداوم مناسب نیستند و به همین ترتیب، پتانسیومترهای پیش تنظیم تنها برای چند صد عملیات مکانیکی مجاز هستند. با این حال، کم هزینه بودن، اندازه کوچک و سادگی آنها باعث محبوبیت آن‌ها برای کاربرد در مدارهای غیر بحرانی می‌شود.

پیش تنظیم‌ها را می‌توان از حداقل تا حداکثر مقدار آن‌ها، تنها در یک دور تنظیم کرد، اما برای برخی از مدارها یا تجهیزات ممکن است این محدوده تنظیم کوچک مناسب نباشد و امکان تنظیمات بسیار حساس را فراهم نکند. اما مقاومت‌های متغیر چند دور، با حرکت بازوی لغزنده با استفاده از یک پیچ گوشتی کوچک، از ۳ دور تا ۲۰ دور، امکان تنظیمات بسیار دقیق را فراهم می‌سازد.

پتانسیومتر تریمر یا «trim pot» یک قطعه مستطیلی شکل چند دور با مسیر خطی است که برای نصب و لحیم کاری مستقیم روی برد مدار، به صورت لحیم کاری در سوراخ و یا نصب سطحی، طراحی شده است. این باعث اتصال الکتریکی و نصب مکانیکی برای تریمر می‌شود و محصور کردن مسیر مقاومتی در داخل محفظه پلاستیکی از مشکلات گرد و غبار و کثیفی هنگام استفاده از پیش تنظیم اسکلتی جلوگیری می‌کند.

رئوستا

رئوستاها بزرگان دنیای پتانسیومتر هستند. آنها مقاومت‌های متغیر دو پایه هستند که برای تهیه هر مقدار مقاومت در محدوده اهمی خود برای کنترل جریان عبوری پیکربندی شده‌اند.

در حالی که از لحاظ تئوری، هر پتانسیومتر متغیری را می‌توان به عنوان یک رئوستا پیکربندی کرد، اما به طور کلی رئوستاها مقاومت‌های متغیر سیم پیچی با توان بالا هستند که در کاربردهای جریان بالا استفاده می‌شوند، چراکه مزیت اصلی رئوستا، توان نامی بالای آن‌ها است.

هنگامی که از یک مقاومت متغیر به عنوان رئوستای دو پایه استفاده می‌شود، تنها بخشی از کل عنصر مقاومتی که بین ترمینال انتهایی و کنتاکت متحرک قرار دارد، توان مصرف می‌کند. همچنین، برخلاف پتانسیومتر که به عنوان تقسیم کننده ولتاژ پیکربندی شده است، تمام جریان عبوری از عنصر مقاومتی رئوستا، از مدار لغزنده نیز عبور می‌کند. پس فشار کنتاکت لغزنده بر روی عنصر رسانا، باید توانایی حمل جریان مشابه را داشته باشد.

پتانسیومترها در فناوری‌های مختلفی از جمله: فیلم کربن، پلاستیک رسانا، سرمت، سیم پیچی و غیره در دسترس هستند. مقدار نامی یا «مقاومتی» پتانسیومتر یا مقاومت متغیر مربوط به مقدار مقاومت کل مسیر مقاومتی ثابت از یک ترمینال ثابت به دیگری است. بنابراین یک پتانسیومتر با مقدار نامی 1kΩ دارای یک مسیر مقاومتی برابر با مقدار یک مقاومت ثابت 1kΩ خواهد بود.

در ساده ترین شکل، می‌توان عملکرد الکتریکی پتانسیومتر را همانند دو مقاومت سری دانست که کنتاکت کشویی مقادیر این دو مقاومت را تغییر داده و اجازه می‌دهد از آن به عنوان تقسیم کننده ولتاژ استفاده شود.

در آموزش ما در مورد اتصال سری مقاومت‌ها، مشاهده کردیم که جریان یکسانی در مدار سری جاری می‌شود، زیرا تنها یک مسیر برای جریان وجود دارد و دیدیم که می‌توانیم از قانون اهم برای یافتن افت ولتاژ هر مقاومت در زنجیره سری استفاده کنیم. پس یک مدار مقاومتی سری، همانطور که نشان داده شده، به عنوان یک شبکه تقسیم ولتاژ عمل می‌کند.

مدار سری تقسیم کننده ولتاژ

در مثال بالا، دو مقاومت به صورت سری به منبع تغذیه متصل شده‌اند. از آنجا که آن‌ها به صورت سری به هم متصل شده‌اند، مقاومت معادل یا کل R_T برابر است با مجموع دو مقاومت منفرد، یعنی: R_۱ + R_۲.

همچنین به عنوان یک شبکه سری، جریان یکسانی از هر مقاومت عبور می‌کند، چراکه جای دیگری برای رفتن ندارد. با این حال، افت ولتاژ دو سر هر مقاومت، با توجه به مقادیر اهمی مختلف مقاومت‌ها، متفاوت خواهد بود. این افت ولتاژ را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد و مجموع آن‌ها برابر ولتاژ تغذیه در زنجیره سری خواهد بود. پس در این مثال، V_IN = V_R1 + V_R2.

مثال ۱

یک مقاومت 250 اهمی به صورت سری به مقاومت دوم 750 اهمی متصل شده است، به طوری که مقاومت 250 اهم به منبع 12 ولت و مقاومت 750 اهم به زمین (0V) متصل است. مقاومت کل سری، جریان عبوری از مدار سری و افت ولتاژ دو سر مقاومت 750 اهم را محاسبه کنید.

در این مثال تقسیم ولتاژ ساده، ولتاژ تشکیل شده در دو سر R_۲، برابر ۹ ولت به دست آمده است. اما با تغییر مقدار هر یک از دو مقاومت، ولتاژ در تئوری می‌تواند هر مقداری بین ۰ ولت و ۱۲ ولت باشد. این ایده از یک مدار سری دو مقاومت که در آن می‌توانیم مقدار هر یک از مقاومت‌ها را تغییر دهیم تا ولتاژ متفاوتی را بدست آوریم، مفهوم اصلی عملکرد پتانسیومتر است.

تفاوت پتانسیومتر این است که برای بدست آوردن ولتاژهای مختلف در خروجی، مقدار کل مسیر مقاومتی پتانسیومتر (R_T) تغییر نمی‌کند، بلکه در حین حرکت لغزنده، تنها نسبت دو مقاومت در دو طرف آن تغییر می‌کند.

بنابراین لغزنده متحرک پتانسیومتر، یک خروجی ایجاد می‌کند که بین ولتاژ یک سر مسیر و ولتاژ در سر دیگر، متغیر است، همانطور که نشان داده شده، این مقدار معمولا بین حداکثر و صفر است.

پتانسیومتر به عنوان تقسیم کننده ولتاژ

هنگامی که مقاومت پتانسیومتر کاهش می‌یابد (لغزنده به سمت پایین حرکت می‌کند)، ولتاژ خروجی از پایه 2 کاهش می‌یابد و افت ولتاژ کمتری دو سر R_۲ ایجاد می‌کند. به همین ترتیب، هنگامی که مقاومت پتانسیومتر افزایش می‌یابد (لغزنده به سمت بالا حرکت می‌کند) ولتاژ خروجی از پایه ۲ افزایش می‌یابد و افت ولتاژ بیشتری ایجاد می‌کند. پس ولتاژ پایه خروجی به موقعیت لغزنده بستگی دارد که این مقدار افت ولتاژ از ولتاژ تغذیه کم می‌شود.

مثال ۲

برای تأمین تغذیه 6 ولت از یک باتری 9 ولت، به یک پتانسیومتر گردان 1.5kΩ تک دور با مسیر مقاومتی کربنی و زاویه گردش 270° نیاز است. 1) موقعیت زاویه‌ای لغزنده در مسیر بر حسب درجه و 2) مقادیر مقاومت‌های دو طرف لغزنده را محاسبه کنید.

موقعیت زاویه‌ای لغزنده پتانسیومتر:

پس موقعیت زاویه‌ای لغزنده برابر است با ۱۸۰° یا ۲/۳ گردش.

۲. مقادیر مقاومت‌های پتانسیومتر:

پس مقادیر مقاومت هر دو طرف لغزنده R_۱ = 500Ω و R_۲ = ۱۰۰۰Ω هستند. همچنین می‌توانیم با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ بالا، صحیح بودن این مقادیر را تایید کنیم:

پس می‌توان دریافت که وقتی به عنوان تقسیم کننده ولتاژ متغیر استفاده می‌شود، ولتاژ خروجی درصدی از مقدار ولتاژ ورودی خواهد بود و این مقدار متناسب با موقعیت فیزیکی لغزنده متحرک نسبت به یکی از ترمینال‌های انتهایی است. بنابراین به عنوان مثال، اگر مقاومت از یک ترمینال انتهایی تا لغزنده، ۳۰% از کل باشد، ولتاژ خروجی در پایه لغزنده در آن قسمت، ۳۰% ولتاژ کل پتانسیومتر خواهد بود و این شرایط برای پتانسیومترهای خطی همواره صادق است.

بارگذاری لغزنده

در مثال تقسیم کننده ولتاژ ساده بالا، ما مقادیر R_۱ و R_۲ را به ترتیب 500Ω و 1000Ω محاسبه کردیم تا ولتاژ خروجی در ترمینال لغزنده (پایه 2)، 6 ولت با موقعیت زاویه‌ای 180° باشد. ما در اینجا فرض کرده‌ایم که پتانسیومتر بدون بار است و یک خروجی خطی مستقیم تولید می‌کند، بنابراین V_OUT = θV_IN.

با این حال، اگر بخواهیم ترمینال لغزنده را با اتصال یک بار مقاومتی R_L بارگذاری کنیم، ولتاژ خروجی دیگر 6 ولت نخواهد بود، چراکه مقاومت بار R_L با R_۲ (بخش پایینی به مقدار ۱۰۰۰Ω) موازی است و بنابراین بر کل مقدار مقاومتی قسمت بار شبکه تقسیم ولتاژ تأثیر می‌گذارد.

در نظر بگیرید که اگر یک مقاومت بار 3kΩ به پایانه خروجی لغزنده متصل کنیم، چه اتفاقی می‌افتد.

لغزنده بارگذاری شده پتانسیومتر

بنابراین می‌توانیم ببینیم که با اتصال یک بار در ترمینال خروجی پتانسیومتر، ولتاژ در این مثال از 6 ولت مورد نیاز به 5.4 ولت کاهش یافته است، زیرا اثر بارگذاری مقاومت 3kΩ، به جای مقدار اصلی 1kΩ، یک مقاومت معادل موازی R_P به مقدار ۷۵۰Ω به ما می‌دهد.

بدیهی است که هرچه مقاومت بار متصل بیشتر یا کمتر شود، اثر بارگیری بر روی لغزنده نیز بیشتر یا کمتر می‌شود. بنابراین مقاومت بار در محدوده مگا اهم، در مقایسه با مقاومت چند اهمی، تاثیر ناچیزی خواهد داشت. در نتیجه، بازگشت ولتاژ خروجی به مقدار اصلی 6 ولت، نیاز به تنظیم کوچکی در موقعیت لغزنده پتانسیومتر دارد (در این حالت 18 درجه)، زیرا در حال حاضر R_T برابر است با ۱۲۵۰Ω (۵۰۰ + ۷۵۰).

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 = I^۲ × 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 R_L خیلی خیلی بیشتر از مقاومت کل رئوستا باشد (یعنی R_L >> R_RHEO)، 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.

خلاصه پتانسیومتر

در این مقاله آموزشی در مورد پتانسیومترها، مشاهده کردیم که یک پتانسیومتر یا مقاومت متغیر، اساسا از یک مسیر مقاومتی با دو اتصال در دو انتهای خود و یک ترمینال سوم به نام لغزنده تشکیل شده است که موقعیت آن مسیر مقاومتی را تقسیم می‌کند. موقعیت لغزنده در مسیر، به صورت مکانیکی با چرخش شفت یا استفاده از پیچ گوشتی تنظیم می‌شود.

مقاومت‌های متغیر را می‌توان در یکی از دو حالت عملیاتی دسته بندی کرد: تقسیم کننده ولتاژ متغیر یا رئوستای جریان متغیر. پتانسیومتر یک قطعه سه پایه است که برای کنترل ولتاژ استفاده می‌شود، در حالی که رئوستا یک قطعه دو پایه است که برای کنترل جریان استفاده می‌شود.

می‌توانیم این موارد را در جدول زیر خلاصه کنیم:

نوع	پتانسیومتر	رئوستا
تعداد اتصالات	سه ترمینال	دو ترمینال
تعداد دور	تک دور و چند دور	فقط تک دور
نوع اتصال	اتصال موازی با منبع تغذیه	اتصال سری با بار
کمیت کنترل شونده	ولتاژ	جریان
نوع قانون مخروطی	خطی و لگاریتمی	فقط خطی

پس پتانسیومتر، تریمر و رئوستا دستگاه‌های الکترومکانیکی هستند و طوری طراحی شده‌اند که مقادیر مقاومت آنها به راحتی قابل تغییر باشد. آن‌ها می‌توانند به صورت پتانسیومترهای تک دور، پیش تنظیم، پتانسیومترهای کشویی یا تریمرهای چند دور طراحی شوند. رئوستاهای سیم پیچی عمدتا برای کنترل جریان الکتریکی استفاده می‌شوند. پتانسیومترها و رئوستاها به عنوان دستگاه‌های گروهی نیز در دسترس هستند و می‌توان آن‌ها را به صورت مخروطی خطی یا لگاریتمی طبقه بندی کرد.

در هر صورت، پتانسیومترها می توانند حسگری و اندازه گیری بسیار دقیق برای حرکت خطی یا چرخشی ارائه دهند، زیرا ولتاژ خروجی آن‌ها متناسب با موقعیت لغزنده است. از مزایای پتانسیومترها می‌توان به هزینه کم، عملکرد ساده و اشکال، اندازه‌ها و طرح‌های متنوع اشاره کرد و می‌توان آن‌ها را در طیف وسیعی از کاربردهای مختلف استفاده کرد.

اما به عنوان دستگاه‌های مکانیکی، معایبشان شامل از بین رفتن لغزنده متحرک و یا مسیر مقاومتی در طی زمان، قابلیت محدود مدیریت جریان (بر خلاف رئوستاها)، محدودیت‌های توان الکتریکی و زاویه چرخش است که برای پتانسیومترهای تک دور، به کمتر از ۲۷۰ درجه محدود می‌شود.

منبع

منبع:ردرونیک