پتانسیومتر

امروزه، پتانسیومترها نسبت به گذشته کوچکتر و دقیق‌تر هستند و مانند اغلب قطعات الکترونیک انواع مختلفی با نام‌های مقاومت متغیر (Variable Resistor)، پیش‌‌تنظیم (Preset)، تریمر (Trimmer)، رئوستا (Rheostat) و البته پتانسیومتر متغیر (Variable Potentiometer) دارند.

علی‌رغم تفاوت نام این قطعات، عملکرد آن‌ها دقیقاً مشابه است و مقدار مقاومت خروجی آن‌ها با حرکت یک کنتاکت یا لغزنده مکانیکی توسط یک کنش خارجی تغییر می‌کند. مقاومت‌های متغیر به هر شکلی که باشند، عموماً عملکردهای کنترلی خاصی مانند تنظیم صدای رادیو، تنظیم سرعت یک وسیله نقلیه، تنظیم فرکانس یک اسیلاتور یا کالیبراسیون دقیق یک مدار دارند.

عبارت‌های پتانسیومتر و مقاومت متغیر اغلب با هم برای توصیف یک قطعه به کار می‌روند، اما دانستن این نکته ضروری است که اتصالات و عملکرد این دو قطعه با یکدیگر تفاوت دارد. هرچند، پتانسیومتر و مقاومت متغیر تعدادی ویژگی مشترک نیز دارند: در هر دو انتهای این دو قطعه، یک مسیر مقاومتی به کنتاکت‌ها متصل هستند و کنتاکت سوم نیز که لغزنده نام دارد متحرک است.

پتانسیومتر یک قطعه سه‌سر است که مشابه یک مدار مقسم ولتاژ به طور پیوسته یک سیگنال خروجی با ولتاژ متغیر را ارائه می‌کند. این ولتاژ متناسب با موقعیت فیزیکی لغزنده در مسیر مقاومتی است.

مقاومت متغیر

گاهی لازم است برای جلوگیری از رخ دادن شرایط مدار باز، یک اتصال الکتریکی بین پایه بدون استفاده مسیر مقاومتی و لغزنده برقرار شود.

مقاومت متغیر یک قطعه مقاومتی دو سر است که، متناسب با موقعیت فیزیکی لغزنده در مسیر مقاومتی، مقادیر مقاومت متنوعی را برای کنترل جریان فراهم می‌کند. لازم به ذکر است که از یک مقاومت متغیر برای کنترل جریان‌های بزرگ مدار که در بارهای روشنایی یا موتوری رخ می‌دهد استفاده می‌شود. در این‌ حالت، مقاومت متغیر را رئوستا می‌نامند.

انواع پتانسیومترها

پتانسیومترهای متغیر قطعات آنالوگی هستند که از دو بخش اصلی مکانیکی تشکیل شده‌اند:

1. یک عنصر، مسیر یا سیم‌پیچ مقاومتی ثابت که مقدار مقاومت آن را مانند 1kΩ

، 10kΩ

1. و… تعیین می‌کند.
2. بخش مکانیکی که به یک لغزنده یا کنتاکت اجازه می‌دهد که در طول کل مسیر مقاومتی حرکت کند و با تغییر موقعیت، مقدار مقاومت را تغییر دهد. راه‌های مختلفی برای حرکت لغزنده در طول مسیر مقاومتی به صورت مکانیکی یا الکتریکی وجود دارد.

پتانسیومترها، علاوه بر مسیر مقاومتی و لغزنده، در ساختار خود یک محفظه، یک شفت یا محور، یک بلوک لغزان و یک بوش یا یاتاقان نیز دارند. حرکت لغزنده یا کنتاکت به تنهایی با یک عمل چرخشی (زاویه‌ای) یا خطی (مستقیم) امکان‌پذیر است. چهار دسته اصلی پتانسیومتر متغیر وجود دارد که، در ادامه، آن‌ها را بیان می‌کنیم.

پتانسیومتر گردان

مقدار مقاومت پتانسیومتر گردان (متداول‌ترین نوع پتانسیومتر) با حرکت زاویه‌ای تغییر می‌کند. با چرخاندن یک دکمه متصل به محور، لغزنده داخلی حول یک عنصر مقاومتی منحنی شکل حرکت می‌کند. رایج‌ترین کاربرد یک پتانسیومتر گردان به عنوان دکمه کنترل صدا است.

پتانسیومترهای گردان کربنی با استفاده از یک مهره حلقه‌ای و واشر در صفحه جلویی یک جعبه، پوشش یا برد مدار چاپی (PCB) تعبیه می‌شوند. این قطعات می‌توانند یک مسیر یا چند مسیر مقاومتی داشته باشند که در این صورت با نام یک پتانسیومتر گروهی شناخته می‌شوند و همه آن‌ها با یکدیگر حول یک محور می‌چرخند. با استفاده از یک پتانسیومتر با دو مسیر یا شیار مقاومتی می‌توان دو بلندگوی یک رادیو یا آمپلی‌فایر استریو را تنظیم و کنترل کرد. تعدادی از پتانسیومترهای گردان سوئیچ روشن/خاموش نیز دارند.

پتانسیومترهای چرخان می‌توانند یک خروجی خطی یا لگاریتمی با تلرانس ۱۰ تا ۲۰ درصد داشته باشند. از آن‌جایی که این پتانسیومترها به صورت مکانیکی کنترل می‌شوند، می‌توان از آن‌ها برای اندازه‌گیری چرخش شفت استفاده کرد. یک پتانسیومتر چرخان با یک دور معمولاً قابلیت چرخش کمتر از ۳۰۰ درجه را از مقدار حداقل تا حداکثر مقاومت دارد. البته پتانسیومترهایی که قابلیت چرخش چند دور را دارند و تریمر (Trimmer) نامیده می‌شوند نیز برای چرخش بیشتر و دقت بالاتر در دسترس هستند.

در پتانسیومترهایی با چند دور، قابلیت چرخش بیش از ۳۶۰ درجه مکانیکی در مسیر مقاومتی وجود دارد. این پتانسیومترها گران‌تر هستند، اما پایداری و دقت بالایی دارند. رایج‌ترین پتانسیومترهای چند دور، ۳ دور (۱۰۸۰ درجه)، ۱۰ دور (۳۶۰۰ درجه)، ۲۰ دور و بیش از ۲۵ دور هستند که مقادیر اهمی متنوعی نیز دارند.

پتانسیومتر کشویی

پتانسیومترهای کشویی برای تغییر مقدار مقاومت کنتاکت با یک حرکت خطی طراحی شده‌اند؛ به گونه‌ای که، در آن‌ها، رابطه خطی بین موقعیت کنتاکت کشویی و مقاومت خروجی وجود دارد.

این پتانسیومترها به طور گسترده در تجهیزات صوتی حرفه‌ای مانند میکسرهای استودیو به کار می‌روند. یکی از معایب پتانسیومترهای کشویی این است که یک شیار طولانی دارند که اجازه حرکت آزادانه تیغه را در طول مسیر مقاومتی می‌دهد.

این شیارِ باز موجب می‌شود مسیر مقاومتی مستعد جذب گرد و غبار یا عرق و چربی دست کاربران باشد. برای کاهش این اثرات منفی از پوشش برای این نوع پتانسیومتر استفاده می‌شود.

از آن‌جایی که پتانسیومترها یکی از ساده‌ترین قطعات برای تبدیل موقعیت مکانیکی به ولتاژ متناسب با آن هستند، می‌توان از آن‌ها به عنوان سنسورهای موقعیت نیز استفاده کرد. این سنسورها، سنسور جابه‌جایی خطی نامیده می‌شوند. پتانسیومترهایی با مسیر کربنی لغزشی، حرکت خطی (مستقیم) دقیق را در قالب سنسور خطی که یک المنت مقاومتی الحاق شده به کنتاکت لغزان است اندازه‌گیری می‌کنند. این کنتاکت به نوبه خود با یک میله یا شفت به مکانیزم مکانیکی مورد نظر متصل شده است که باید اندازه‌گیری شود. در نتیجه، موقعیت لغزنده متناسب با کمیتی که باید اندازه‌گیری شود تغییر می‌کند که خود موجب تغییر مقدار مقاومت سنسور خواهد شد.

پیش‌تنظیم و تریمر

پتانسیومترهای پیش‌تنظیم یا تریمر اصطلاحاً پتانسیومترهای کوچک «تنظیم و فراموش» (Set-and-Forget) هستند که به خوبی و به سادگی یک مدار را تنظیم می‌کنند. پتانسیومترهای پیش‌تنظیم چرخان با یک دور، نسخه‌هایی مینیاتوری از مقاومت متغیر استاندارد هستند که برای نصب مستقیم روی PCB طراحی شده‌اند و با یک پیچ گوشتی دوسو یا یک ابزار پلاستیکی مشابه تنظیم می‌شوند.

پیش‌تنظیم‌ها را می‌توان از مقدار مینیمم تا ماکزیمم با یک دور تنظیم کرد، اما برای تعدادی از مدارها یا تجهیزات، این محدوده تنظیمات ممکن است مناسب نباشد.

پتانسیومترهای تریمر قطعات مستطیل شکل چند دور با مسیر خطی هستند که برای نصب و لحیم مستقیم به PCB طراحی شده‌اند. جعبه پلاستیکی این پتانسیومترها سبب می‌شود هم اتصالات الکتریکی و مکانیکی و هم مسیر مقاومتی از مشکلات ناشی از گرد و غبار و کثیفی طی استفاده در امان بمانند.

رئوستا

رئوستاها از انواع توان بالای پتانسیومترها هستند. این قطعات مقاومت‌های متغیری با دو اتصال هستند که برای فراهم کردن هر مقدار مقاومت دلخواه در محدوده اهمی‌شان برای کنترل جریان عبوری به کار می‌روند.

در حالت تئوری، هر پتانسیومتر متغیری را می‌توان به صورت یک رئوستا پیکربندی کرد. رئوستاها عموماً در مقادیر توانی بالا، با مقاومت متغیر سیم‌پیچی شده‌اند و در کاربردهای جریان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. اصلی‌ترین مزیت رئوستا توان بالای آن است.

وقتی یک مقاومت متغیر به عنوان رئوستای دو سر مورد استفاده قرار می‌گیرد، تنها بخشی از عنصر مقاومتی که بین ترمینال انتهایی و کنتاکت متحرک قرار دارد توان را تلف (مصرف) خواهد کرد.

همچنین، برخلاف پتانسیومتر که مشابه یک مقسم ولتاژ است، همه جریان گذرنده از عنصر مقاومتی رئوستا از مدار لغزنده می‌گذرد. در نتیجه کنتاکت لغزنده روی این عنصر رسانا باید قابلیت حمل جریان را داشته باشد.

پتانسیومترها در فناوری‌های متنوعی از جمله فیلم کربن، پلاستیک رسانا، کرمیت، سیم‌پیچی شده و… موجود هستند. مقدار مقاومت یک پتانسیومتر یا مقاومت متغیر به مقدار مقاومت کل مسیر مقاومت از یک ترمینال ثابت تا ترمینال دیگر وابسته است. بنابراین، یک پتانسیومتر با مقدار نامی 1kΩ

، مسیر مقاومتی معادل با یک مقاومت ثابت 1kΩ

خواهد داشت.

در ساده‌ترین شکل، عملکرد الکتریکی یک پتانسیومتر مشابه دو مقاومت سری با کنتاکت لغزشی است. پتانسیومتر مقدار این دو مقاومت را تغییر داده و اجازه می‌دهد به عنوان یک مقسم ولتاژ مورد استفاده قرار گیرد.

رئوستا

همان‌طور که دیدیم، مقاومت متغیر را می‌توان به گونه‌ای پیکربندی کرد که به عنوان یک مدار مقسم ولتاژ عمل کند و در این حالت پتانسیومتر نام دارد. علاوه بر این، می‌توان یک مقاومت متغیر را به گونه‌ای پیکربندی کرد که جریان را تنظیم کند و در این حالت به عنوان یک رئوستا شناخته می‌شود.

رئوستاها مقاومت‌های متغیر دو سر هستند و به گونه‌ای پیکربندی شده‌اند که از یک ترمینال و تنها یک لغزنده استفاده می‌کنند. ترمینال دیگر که بدون استفاده است را می‌توان بدون اتصال در نظر گرفت یا آن را مستقیماً به لغزنده متصل کرد. رئوستاها قطعاتی سیم‌پیچی شده هستند. با تغییر موقعیت لغزنده روی عنصر مقاومتی، می‌توان مقدار مقاومت را افزایش یا کاهش داد و به این ترتیب مقدار جریان را کنترل کرد.

بنابراین، با تغییر مقدار مقاومت رئوستا می‌توان جریان را کنترل کرد. یک مثال مرسوم استفاده از رئوستا، کنترل سرعت مجموعه قطارهای یک اسباب‌بازی است. رئوستاها تنها براساس مقادیر مقاومت تعریف نمی‌شوند، بلکه با مقدار توان نیز مشخص می‌شوند.

از آن‌جایی که رئوستاها جریان را کنترل می‌کنند، باید به گونه‌ای طراحی شوند که قابلیت عبور جریان بار مداوم را داشته باشند. تغییر پیکربندی یک پتانسیومتر سه‌سر به یک رئوستای دو سر امری ممکن است، اما امکان دارد مسیر مقاومتی کربنی نتواند جریان بار را عبور دهد. از سوی دیگر، کنتاکت لغزنده یک پتانسیومتر معمولاً ضعیف‌ترین بخش آن است تا جریان کمی از لغزنده بگذرد.

البته اگر مقاومت بار RL

بسیار بزرگتر از حداکثر مقدار مقاومت رئوستا باشد، این قطعه برای کنترل جریان بار مناسب نیست. اندازه مقاومت بار باید بسیار کوچکتر از مقاومت رئوستا باشد تا اجازه عبور جریان بار را بدهد.

عموماً رئوستاها مقاومت‌های متغیر الکترومکانیکی توان بالایی هستند که در کاربردهای قدرت (توان) به کار می‌روند و عنصر مقاومتی آن‌ها معمولاً از یک سیم ضخیم مناسب ساخته می‌شود تا حداکثر جریان I

را وقتی که مقدار مقاومت R

آن مینیمم است هدایت کند.

رئوستاهای سیم‌پیچی شده در کاربردهای کنترل توان مانند لامپ، هیتر یا مدارهای کنترل موتور برای تنظیم جریان‌های میدان در کنترل سرعت یا جریان راه‌اندازی موتورهای DC و… مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع مختلفی رئوستا وجود دارد، اما رایج‌ترین آن‌ها انواع چنبره‌ای هستند که ساختار آن‌ها برای خنک‌سازی باز است، هرچند انواع بسته آن‌ها نیز وجود دارند.

رئوستای لغزشی

رئوستاهای لغزشی لوله‌ای نیز وجود دارند که احتمالاً آن‌ها را در آزمایشگاه‌های فیزیک دیده‌اید. این رئوستاهای خطی یا لغزشی از سیم دارای مقاومت تشکیل شده‌اند که حول یک لوله یا پیستون عایق پیچانده شده است. کنتاکت لغزشی این رئوستاها در قسمت بالایی تعبیه شده و برای کاهش یا افزایش مقاومت مؤثر به صورت دستی قابل حرکت به سمت چپ و راست است.

مشابه پتانسیومترهای چرخان، رئوستاهای گروهی نیز موجود هستند. در برخی از این رئوستاها، اتصالات الکتریکی ثابت برای سیم ساخته شده تا مقدار ثابتی مقاومت بین هر دو ترمینال باشد. چنین اتصالاتی به عنوان تپ (Tapping) شناخته می‌شوند (مشابه ترانسفوماتورها).

پتانسیومترهای خطی و لگاریتمی

محبوب‌ترین مقاومت متغیر و پتانسیومتر، نوع خطی است که مقدار مقاومت به صورت خطی تغییر می‌کند و منحنی مشخصه آن به صورت یک خط راست است. در این نوع پتانسیومترها، میزان تغییر مقاومت متناسب با تغییر لغزنده است.

بنابراین، اگر لغزنده به اندازه ۲۰ درصد کل چرخش ممکن بچرخد، مقاومت به اندازه ۲۰ درصد مقدار مینیمم یا ماکزیمم خواهد بود. این به آن دلیل است که مسیر مقاومتی از ترکیبات کربن، آلیاژهای سرامیک فلزی یا پلاستیک‌های هادی ساخته شده است که مشخصه آن‌ها به صورت خطی است.

اما ممکن است عنصر مقاومتی یک پتانسیومتر همیشه یک مشخصه خطی نداشته باشد یا با تغییر خطی در لغزنده، مقاومت آن به صورت لگاریتمی تغییر کند.

پتانسیومترهای لگاریتمی اساساً انواع بسیار محبوبی از پتانسیومترهای غیرخطی یا غیرتناسبی هستند که مقاومت ‌آن‌ها به صورت لگاریتمی تغییر می‌کند. پتانسیومترهای لگاریتمی معمولاً به صورت کنترل ولوم در کاربردهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن‌ها تضعیف به صورت لگاریتمی بر حسب دسی‌بل است. این به آن دلیل است که حساسیت گوش انسان به سطوح صدا یک پاسخ لگاریتمی و در نتیجه غیرخطی دارد.

اگر از پتانسیومتر خطی برای کنترل ولوم صدا استفاده کنیم، احساسی که به گوشمان القا می‌کند، به یکی از مسیرهای پتانسیومتر محدود خواهد بود. در طرف مقابل، پتانسیومترهای لگاریتمی، با چرخش ولوم کنترل، تنظیم صدای متعادلی دارند.

بنابراین، وظیفه یک پتانسیومتر لگاریتمی در هنگام تنظیم ولوم، تولید یک سیگنال خروجی است که بر حساسیت غیرخطی گوش انسان منطبق باشد. البته برخی پتانسیومترهای ارزان در تغییر مقاومت بیشتر نمایی هستند تا لگاریتمی؛ اما با این حال لگاریتمی نامیده می‌شوند، زیرا پاسخ مقاومتی آن‌ها در یک مقیاس لگاریتمی، خطی است. علاوه بر پتانسیومترهای لگاریتمی، پتانسیومترهای آنتی‌لگاریتمی نیز وجود دارند که مقاومت آن‌ها در ابتدا سریعاً افزایش می‌یابد.

همه پتانسیومترها و رئوستاها در انواع خطی، لگاریتمی و آنتی‌لگاریتمی در دسترس هستند. بهترین راه برای تعیین نوع یک پتانسیومتر خاص، قرار دادن شفت یا محور آن روی مرکز مسیر و اندازه‌گیری مقدار مقاومت از لغزنده تا انتهای مسیر است. اگر مقاومت دو نیمه مسیر کم و بیش با یکدیگر برابر باشند، پتانسیومتر خطی است.

جمع‌بندی

یک پتانسیومتر یا مقاومت متغیر اساساً از یک مسیر مقاومتی با یک اتصال در یکی از سرها و یک ترمینال سوم تشکیل شده که لغزنده نامیده می‌شود. موقعیت لغزنده در مسیر مقاومتی به صورت مکانیکی و با چرخش یک شفت با با استفاده از پیچ‌گوشتی تنظیم می‌شود.

مقاومت‌های متغیر را می‌توان در یکی از دو مُد عملیاتی قرار داد: مقسم ولتاژ متغیر یا رئوستای جریان متغیر. پتانسیومتر یک قطعه سه‌سر است که برای کنترل ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد، در حالی که رئوستا یک قطعه دو سر است که در کنترل جریان به کار می‌رود.

پتانسیومترها، تریمرها و رئوستاها قطعاتی الکترومکانیکی هستند و به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مقادیر مقاومت آن‌ها به سادگی تغییر می‌کند. این قطعات را می‌توان به صورت پتانسیومترهایی با یک دور، پیش‌تنظیم‌‌ها، پتانسیومترهای لغزشی یا تریمرهای چند دور طراحی کرد. رئوستاهای سیم‌پیچی شده به طور گسترده برای کنترل جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پتانسیومترها و رئوستاها نیز به صورت گروهی موجود هستند و بنا بر کاربرد مورد نظر، تپ خطی یا لگاریتمی دارند.

پتانسیومترها را می‌توان برای سنجش و اندازه‌گیری حرکت‌های خطی یا چرخشی به کار برد که در آن‌ها ولتاژ خروجی متناسب با موقعیت لغزنده است. از مزایای پتانسیومترها می‌توان به هزینه کم، عملکرد ساده و تنوع شکل، اندازه و طراحی آن‌ها اشاره کرد.

البته پتانسیومترها به عنوان قطعاتی مکانیکی،‌ معایبی از جمله استهلاک احتمالی لغزنده، محدودیت در قابلیت عملکرد در جریان‌های بالا (برخلاف رئوستاها)، محدودیت‌های توان الکتریکی و محدودیت چرخش کمتر از ۲۷۰ درجه برای پتانسیومترهایی با یک دور دارند.