Potentiometer

Potentiometer sind ein gängiges Beispiel für Spannungsteiler. Schauen wir uns an, wie sie funktionieren und verwendet werden können.

Potentiometer

Potentiometer sind ziemlich einfache Komponenten. Sie besitzen 3 Anschlüsse, eine Widerstandsbahn und einen Schleifer. Der Schleifer kann an verschiedene Positionen auf der Widerstandsbahn bewegt werden. Gewöhnlich sind die beiden äußeren Anschlüsse mit den Enden der Widerstandsbahn verbunden, während der mittlere Anschluss mit dem Schleifer verbunden ist. In der Abbildung unten ist das schematische Symbol für ein Potentiometer dargestellt. Es gibt zwei verschiedene Symbole, je nachdem, ob der amerikanische ANSI- oder der internationale IEC-Stil für den Schaltplan verwendet wird.

Aus dem Tutorial zu Leitfähigkeit und Widerstand wissen wir, dass der Widerstand proportional mit der Länge des Widerstandsmaterials zunimmt. Durch Verschieben des Schleifers können wir daher den Widerstand zwischen dem Schleifer und den beiden Enden der Widerstandsbahn einstellen. Je näher wir uns einem Ende nähern, desto geringer ist der Widerstandswert. Bewegen wir den Schleifer weiter vom Ende weg, erhöht sich der Widerstand. Der Gesamtwiderstand der Widerstandsbahn bleibt immer gleich. Wenn wir ein 10 kΩ Potentiometer verwenden, beziehen sich die 10 kΩ auf den Widerstand der gesamten Widerstandsbahn.

Die meisten Potentiometer verwenden eine Kohleschicht als Widerstandsmaterial. Diese Potentiometer sind preiswert, aber auch weniger präzise. Alternativ können Drahtpotentiometer verwendet werden. Sie haben in der Regel einen niedrigeren Widerstandswert, eine höhere Nennleistung und außerdem eine bessere Genauigkeit.

Es gibt eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für Potentiometer. Eine weit verbreitete ist die Verwendung als Lautstärkeregler an Audiogeräten. Darüber hinaus können Potentiometer auch verwendet werden, um Benutzereingaben in Mikrocontroller-Anwendungen zu ermöglichen. In der Arduino-Einführungsserie haben wir eins genutzt, um die Helligkeit einer PWM-gesteuerten LED einzustellen. Weitere Anwendungsfälle sind die Positionserfassung in Servomotoren und die Verwendung als variabler Widerstand in Mess- oder RC-Schaltungen. Werfen wir zunächst einen Blick auf die beiden Grundkonfigurationen, in denen Potentiometer verwendet werden können.

Potentiometer als variabler Widerstand

Die erste Art, wie Potentiometer verwendet werden können, ist die Nutzung als variabler Widerstand (Rheostat). In dieser Konfiguration benötigt man nur zwei Anschlüsse des Potentiometers: ein Ende der Widerstandsbahn und den Schleifer. Wie bereits erläutert, kann der Widerstand zwischen diesen beiden dann durch Bewegen des Schleifers eingestellt werden.

Ein typisches Anwendungsbeispiel für variable Widerstände in Hobbyprojekten sind Messschaltungen mit Widerstandssensor. Sie können zur Einstellung von Schwellenwerten, zur Kalibrierung der Messschaltung und zur Einstellung des Messbereichs verwendet werden. Komplexere Anwendungsszenarien können auch anpassbare RC-Schaltungen umfassen. Natürlich kann ein variabler Widerstand auch zur Strombegrenzung verwendet werden. Die meisten Potentiometer sind jedoch nicht für diesen Zweck konstruiert. Die Potentiometer, die Sie in Arduino oder ähnlichen Einsteigerbausätzen finden, haben Widerstandswerte um 1 - 1 MΩ. Dies ist kein sinnvoller Widerstandsbereich für die Strombegrenzung in Schaltungen. Zu beachten ist, dass auch Potentiometer eine maximale Belastbarkeit besitzen und dass der Widerstand praktisch gegen null geht, sobald der Schleifer die Metallklemme am Ende der Widerstandsbahn berührt. Die Nennleistung wird immer für die Verwendung der gesamten Widerstandsbahn angegeben. Bei linearen Potentiometern kann man davon ausgehen, dass die zulässige Maximalleistung linear von der Position des Schleifers abhängig ist. Wenn nur 10 % der Widerstandsbahn genutzt werden, beträgt die maximale Leistung in dieser Konfiguration nur 10 % der im Datenblatt genannten Leistung.

Um in Schaltplänen ein Potentiometer zu symbolisieren, das als variabler Widerstand benutzt wird, kann man das Potentiometersymbol verwenden, bei dem ein Ende nicht angeschlossen ist. Alternativ gibt es ein spezielles Symbol für variable Widerstände:

In einigen Schaltungen findet sich eine alternative Beschaltung eines Potentiometers als variabler Widerstand. Das zweite Ende der Widerstandsbahn ist mit dem Schleiferkontakt kurzgeschlossen: Da die Schleiferverbindung einen Widerstand hat, der um Größenordnungen niedriger ist als der des Widerstandsmaterials, wird dies keinen merklichen Unterschied im Widerstandswert haben. Der Vorteil ist jedoch, dass Sie keinen offenen Stromkreis erhalten, wenn der Wischer keinen Kontakt mit dem Widerstandsmaterial hat. In diesem Fall erhalten wir stattdessen den Widerstand der vollständigen Widerstandsbahn als Worst-Case-Widerstand. Abhängig vom Alter des Potentiometers und den Umgebungsbedingungen, in denen es eingesetzt wird, sollte die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, dass der Schleifer den Kontakt verliert. Abhängig von der Schaltung ist es möglich, dass eine Open-Circuit-Situation in einem Pfad zur Überlastung und Beschädigung anderer Komponenten führt. Bei dieser alternativen Beschaltung kann das Verhalten der Schaltung unerwartet sein, aber der Widerstandswert liegt immer noch innerhalb des Betriebsbereichs. Folglich sollte man diese alternative Beschaltung bevorzugen.

Potentiometer als Spannungsteiler

Die zweite und am häufigsten verwendete Konfiguration von Potentiometern ist die Nutzung als einstellbarer Spannungsteiler. In dieser Konfiguration sind beide Enden der Widerstandsbahn mit unterschiedlichen Spannungspegeln verbunden, und der Schleifer kann verwendet werden, um eine Ausgangsspannung zwischen diesen zu wählen.

Die Spannungsauswahl funktioniert, weil an jeder beliebigen Position des Schleifers eine gewisse Menge an Widerstandsmaterial auf beiden Seiten des Schleifers vorhanden ist. Man kann sich das Ganze als zwei Widerstände mit dem Schleifer in der Mitte vorstellen. Zusammen bilden sie einen Spannungsteiler. Das Coole daran ist, dass man die Widerstandswerte und damit die Ausgangsspannung durch Bewegen des Schleifers ändern kann. Die Möglichkeit, das Spannungspotential am Ausgang mithilfe des Schleifers einzustellen, gibt den Potentiometern ihren Namen.

Es ist möglich, Potentiometer zu bauen, die für Ströme bis zu mehreren Ampere verwendet werden können. Für Potentiometer gelten jedoch die gleichen Regeln wie für Spannungsteiler. Wie bei Spannungsteilern fließt immer ein gewisser Strom durch die Widerstandsbahn des Potentiometers. Bei Potentiometern mit einem niedrigen Gesamtwiderstand verliert man viel Energie als Wärme. Wenn man dagegen Potentiometer mit einem hohen Widerstand verwendet, erhält man eine geringere Stabilität der Ausgangsspannung.

Potentiometer als Spannungsteiler werden in vielen Bereichen eingesetzt, wie z.B. bei der Lautstärkeregelung, bei Benutzereingaben an Mikrocontroller oder zur Realisierung eines einstellbaren Schwellenwerts für Komparatoren.

Potentiometertypen und -beschriftung

Auf dem Markt sind viele verschiedene Arten von Potentiometern erhältlich. Der erste und offensichtlichste Unterschied ist die Bauform: Es gibt sowohl Dreh- als auch lineare Schiebepotentiometer. Nicht so offensichtlich ist, dass es auch unterschiedliche Widerstandsverläufe gibt. Nicht alle Potentiometer sind lineare Potentiometer. Die untenstehende Grafik zeigt die drei gebräuchlichsten Widerstandskennlinien für Potentiometer. Die gängigsten und preiswertesten sind lineare Potentiometer. Sie sind einfach zu konstruieren, da der Widerstand, wie erläutert, proportional mit der Länge des Widerstandsmaterials zwischen dem Schleifer und den Enden der Widerstandsbahn zunimmt. Für Audioanwendungen gibt es jedoch auch spezielle logarithmische Potentiometer. Wir als Menschen besitzen keine lineare Lautstärkewahrnehmung. Eine Erhöhung des Audiopegels um 10 dB wird als Verdoppelung der Lautstärke empfunden. Um dies zu kompensieren, benötigen wir eine feinere Lautstärkeregelung für höhere Audiopegel (niedriger Widerstand) und größere Veränderungen für geringe Audiopegel (hoher Widerstand). Diese Kompensation wird durch die Verwendung eines logarithmischen anstelle eines linearen Potentiometers erreicht. Allerdings sind exakt logarithmische Potentiometer schwer zu konstruieren. Die Kennlinie der gebräuchlichen Audiopotentiometer weicht von der in der Grafik dargestellten optimalen logarithmischen Kurve ab, um sie einfacher und kostengünstiger zu machen. Wenn du den genauen Widerstandsverlauf wissen willst, musst du diesem im Datenblatt des Potentiometers nachschlagen.

Wir wissen jetzt über verschiedene Arten von Potentiometern Bescheid, wenden wir uns nun der Beschriftung zu. Um es kurz zu machen: es ist ein einziges Durcheinander. Auf fast allen Potentiometern sind ihre Gesamtwiderstände aufgedruckt. Bei den Potentiometern auf dem Bild unten sind es 10 kΩ und 500 kΩ.

Schwieriger und manchmal fast unmöglich ist es, den Kennlinientyp herauszufinden. Das rechte Potentiometer verwendet einen herstellerspezifischen Code. Das linke verwendet die amerikanische Kennzeichnung, in der B für ein lineares Potentiometer steht. Das Problem ist, dass es nicht nur den amerikanischen Code gibt, sondern auch einen europäischen. Diese sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Es stehen noch mehr Codes zur Verfügung, und die schlechte Nachricht ist, dass sie sich nicht nur unterscheiden, sondern auch überlappen. Um sicher zu sein, welcher Code verwendet wird, muss man den bevorzugten Kennzeichnungsstil des Herstellers kennen. Es ist viel einfacher, einfach den Widerstand in der Mittelposition zu messen und so den Typ zu bestimmen.