Потенциометры

4 Потенциометры

4.1. Основные сведения

Потенциометр предназначен для получения электрического сигнала, функционально зависящего от углового или поступательного перемещения токосъемного элемента (движка с контактами). Потенциометр представляет собой регулируемый делитель напряжения, выполненный на основе резистивного элемента. При соответствующем включении он может быть использован и как резистор с переменным сопротивлением. Вследствие относительной простоты конструкции и широты реализуемых функций потенциометры получили значительное распространение в приборостроении. В измерительных системах их используют как первичные преобразователи механического перемещения в электрическое напряжение. В автоматических системах потенциометры часто применяют как элементы обратной связи, а в вычислительной технике — для реализации функциональных аналоговых зависимостей.

Рис. 1

Принцип действия. Классификация. Простейший по конструкции проволочный потенциометр (рис. 1, а) представляет собой жестко закрепленный каркас 1 постоянного поперечного сечения, выполненный из токонепроводящего материала. На каркас намотана проволока 5 (резистивный элемент), от которой в точках А и В сделаны два отвода 6. По зачищенной от изоляции поверхности проволоки (контактной дорожке) перемещается подвижный контакт 4, связанный с движком 2. От подвижного контакта 4 сделан отвод 3. Полная рабочая длина потенциометра l₀ меньше длины намотки l. Это делают для того, чтобы не происходило размыкания цепи и повреждения контакта 4 при выходе движка за расчетные пределы его перемещения.

Электрическая схема потенциометра показана на рис. 1, б. Входное напряжение U₀ (напряжение питания) подводится к точкам А и В, а выходное U_вых снимается с участка между точками А (или В) и С (скользящий контакт). Сопротивление R_x потенциометра связано с перемещением движка l_x зависимостью R_x = R₀l_x / l₀, где R₀ — полное сопротивление потенциометра. Тогда при ненагруженном потенциометре

(21.1)

Зависимость U_вых = f (l_x) называется характеристикой потенциометра. Если приращение сопротивления на единицу перемещения движка постоянно, то потенциометр имеет линейную характеристику (кривая а на рис. 1, в). Если же сопротивление потенциометра нелинейно зависит от l_x , т. е. R_x = R₀f (l_x / l₀), то и U_вых нелинейно связано с перемещением движка U_вых ⁼ U_o f (l_x / l_o). Такие потенциометры называются функциональными (кривые б, в и г на рис. 1, в).

В зависимости от материала резистивного элемента и конструкции потенциометра различают проволочные, пленочные, пластиковые, фотоэлектрические и жидкостные потенциометры. У пленочных потенциометров резистивным элементом является пленка из металла или окисла металла, напыленная на стеклянное или керамическое основание.


Рис. 2		Рнс. 3

В пластиковых потенциометрах резистивный элемент выполняют из твердых токопроводящих пластмасс. Такие потенциометры отличает большая износостойкость. В фотопотенциометре (рис. 2, а) роль скользящего контакта выполняет световое пятно 2, перемещающееся по фотопроводнику 1, который соединяет между собой резистивный элемент 4, выполненный в виде тонкой полоски из металла с высоким сопротивлением и токосъемник 3, имеющий малую величину сопротивления. В месте, где световое пятно 2 падает на фотопроводник 1, создается токопроводящий мост между резистивным элементом 4 и токосъемником 3. Существуют различные способы применения фотопотенциометров. На рис. 2, б представлена схема использования фотопотенциометра 3 с подвижным источником света 1. Маска 2 в этом случае неподвижна. Существуют также конструкции, в которых подвижной является маска, а не источник света. жидкостный потенциометр конструктивно представляет собой сосуд, заполненный токопроводящим электролитом. В сосуд введены два электрода — подвижный и неподвижный. При изменении расстояния между ними изменяется длина столба токопроводящего электролита, а следовательно, и значение его электрического сопротивления. Жидкостные потенциометры находятся в стадии разработки.

По типу перемещения движка потенциометры разделяют на потенциометры с поступательным (см. рис. 1, а) и вращательным (рис. 3, а) перемещением движка. В многооборотных потенциометрах (рис. 3, б) подвижный контакт 1, имеющий форму ролика, совершает винтовое перемещение по каркасу 2, выполненному в виде спирали из медного стержня диаметром 1...2 мм. На каркас намотан тонкий резистивный провод. Существуют и другие схемы многооборотных потенциометров. Многооборотные потенциометры позволяют получить при небольших габаритах большую рабочую длину резистивного элемента.

Основные параметры и характеристики. Потенциометр является электромеханическим устройством, и поэтому его характеристики могут быть разделены на электрические (полное сопротивление, мощность, предельное рабочее напряжение и т. д.) и механические (угловое или линейное перемещения движка, момент трогания и. т. д.). Полное сопротивление R₀ потенциометра зависит от геометрических размеров и параметров (удельное электрическое сопротивление ρ, размеры поперечного сечения и т. д.) резистивного элемента — обмотки или покрытия. Значение R₀ снизу ограничивается допустимым нагревом потенциометра (при заданном напряжении U₀), а сверху — технологической возможностью изготовления проводника с малыми размерами поперечного сечения, а также сроком службы, так как тонкий проводник быстрее протирается подвижным контактом. Сопротивление потенциометра зависит от его температуры, которая определяется температурой окружающей среды и нагревом резистивного элемента протекающим по нему током. Влияние температуры на R₀ объясняется зависимостью от температуры удельного сопротивления ρ материала резистивного элемента. Изменение геометрических размеров резистивного элемента и корпуса с изменением температуры сказывается значительно меньше. Температурное изменение сопротивления потенциометра оценивается температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который представляет собой относительное изменение сопротивления потенциометра при изменении его температуры на 1 °С. Среднее значение ТКС может быть определено отношением ΔR / (R₀ Δt), где ΔR — алгебраическая разность сопротивлений на границах интервала температур Δt ; R₀ — сопротивление потенциометра при нормальной температуре. У проволочных потенциометров TKC_min = (0,1...2) 10 ^–4 1/°С, у пленочных и пластиковых он больше.

Важной характеристикой потенциометра является разрешающая способность. В проволочных потенциометрах равномерное перемещение подвижного контакта приводит к дискретному изменению U_выx (рис. 21.4), так как контакт перемещается не подлине провода, а переходит с одного витка на другой. Значение скачков напряжения ΔU, характеризующее разрешающую способность, обратно пропорционально числу витков w обмотки: ΔU = U₀ / w. Разрешающая способность связана с так называемой витковои погрешностью δ_в, определяемой как наибольшее отклонение, вызванное дискретностью изменения U_вых, от теоретической характеристики. Так как это отклонение равно ΔU / 2 (рис. 4), то витковая погрешность (%)

=100 / 2 w. (2)

Выражение (2) верно, если подвижный контакт скачком переходит с витка на виток обмотки (положения 1 и 3).Однако в действительности существует положение 2 (рис. 5, а), когда подвижный контакт закорачивает два соседних витка. В этот момент под напряжением U₀ находятся не w, a w – 1 витков. Это приводит к появлению промежуточного скачка напряжения. Значение этого скачка может быть определено из следующих рассуждений.


Рис. 4	Рис. 5

Предположим, что подвижный контакт находится в положении 1. Тогда U_вых = (U₀ / w) х, где х — число витков, с которых снимается выходное напряжение. При перемещении контакта в положение 2 из работы выключается один полный виток и U’_вых = U₀ / (w – 1) x. Поэтому ΔU' = U’_вых – U_вых = U_o х [1 / (w – l) – l / w].

Значение ΔU' непостоянно и зависит от х, т. е. от положения подвижного контакта. ΔU' изменяется от нуля до ΔU . Поэтому δ_в определяет максимальное значение витковой погрешности, которое лишь условно принимается за постоянное для линейных потенциометров. Уменьшить витковую погрешность можно увеличением числа витков, например применением многооборотного потенциометра или движков с двумя контактами 1 и 2 (рис. 21.5, б), касающимися витка с двух противоположных сторон каркаса. В этом случае витковая погрешность уменьшается в два раза. Разрешающая способность пластиковых потенциометров, объясняющаяся зернистостью материала, несравненно больше, чем у проволочных, а у металлопленочных потенциометров разрешающая способность бесконечна. Под механической разрешающей способностью понимается наименьшее изменение положения движка, которое приводит к изменению U_вых . Наибольшее его значение (без учета промежуточных скачков) Δl = l₀/ w.

На характеристику потенциометра большое влияние оказывает сопротивление нагрузки R_н. Выражение (1) справедливо только при бесконечно большом сопротивлении нагрузки. При R_н ≠ ∞ (рис. 6) значение тока, протекающего через R_н

Рис. 21.6

I_н = U_AСо/(R_вн + R_н), (3)

где U_асо, — напряжение на выходе потенциометра в режиме холостого хода (R_н = ∞); R_вн — внутреннее сопротивление потенциометра;

U_ac_о = U₀ R₂ / (R₁ + R₂), (4)

(5)

Выражение (21.5) получено без учета внутреннего сопротивления источника питания. Подставляя выражения (4) и (5) в (3) и учитывая, что U_вых = R_HI_H, получаем

Обозначим R_H/ R₀ = k (коэффициент нагрузки) и R₂ / R₀ = α (передаточный коэффициент), тогда

Из этого выражения следует, что чем меньше R_H, тем больше действительная характеристика отличается от идеальной U_вых = α U₀, которая получается при R_H = ∞ (k = ∞). Абсолютное значение отклонения

На рис. 21.7 показаны зависимости относительной погрешности ΔU_вых / U₀ от передаточного коэффициента α при различных значениях k. Значение R_H при проектировании потенциометра обычно известно. Поэтому для увеличения k необходимо уменьшать R₀, но чрезмерное снижение R₀ приводит к увеличению нагрева потенциометра и уменьшению разрешающей способности. Иногда для устранения влияния нагрузки линейный потенциометр проектируют так, чтобы при холостом ходе он имел такую функциональную характеристику, которая при включении потенциометра на заданную нагрузку становится линейной. Для снижения влияния нагрузки используют также добавочные или шунтирующие резисторы. На рис. 8, а показана схема включения потенциометра с добавочным резистором. При такой схеме включения для работы используется как бы только часть потенциометра с полным сопротивлением, равным R₀ + R_д.

Рис. 7 Рис. 8

Максимальное значение относительной погрешности ΔU_вых / U₀ при R_д = 0,5 / R₀ и k > 10 в четыре раза меньше, чем у некомпенсированного потенциометра. В схеме на рис. 21.8, б предусматривается использование шунта между источником питания и обмоткой потенциометра. Наиболее эффективно (при k > 10) подсоединение шунта к обмотке в точке α = 0,74. Шунт должен иметь сопротивление R_ш = 0,31 R_н . При этих условиях максимальное значение относительной погрешности в семь раз меньше, чем у некомпенсированного потенциометра.

Номинальная мощность рассеяния — это мощность, которая может длительное время рассеиваться потенциометром в заданных условиях эксплуатации при сохранении параметров в установленных пределах. Мощность рассеяния потенциометра определяется его конструкцией и свойствами используемых материалов. В режиме холостого хода

(6)

При R_н = ∞ мощность рассеяния (ее называют действительной) зависит от коэффициента нагрузки и схемы включения потенциометра. При известных значениях Р_ном и R₀ из выражения для Р_ном определяем значение рабочего напряжения питания Это выражение ограничивает напряжение питания из условия предупреждения перегрева при использовании потенциометра в рабочем диапазоне температур. При повышении температуры окружающей среды U_рa6 должно быть уменьшено. Одновременно следует отметить, что U_рa6 должно быть меньше значения пробивного напряжения между резистивным элементом (а также его выводами) и корпусом.

Наиболее важными механическими характеристиками потенциометра являются допустимая скорость перемещения движка и момент трогания. Допустимая скорость движка определяется возможностью отрыва подвижного контакта от резистивного элемента при так называемой критической скорости его перемещения. При этой скорости контакт входит в резонанс и начинает «подпрыгивать», соударяясь с неровностями на поверхности резистивного элемента. Значение критической скорости зависит от формы и массы движка, контакта, шероховатости поверхности резистивного элемента (или шага обмотки в случае проволочного потенциометра) и контактного усилия. При увеличении контактного усилия и шероховатости рабочей поверхности резистивного элемента критическая скорость возрастает. Момент трогания — это минимальный момент, который необходимо приложить к оси движка для ее поворота. Момент трогания зависит от контактного усилия, массы вращающихся элементов подвижной системы, расстояния от места контакта до оси вращения движка. Эта характеристика наиболее важна для потенциометров, управление которыми осуществляется чувствительными элементами. В этом случае момент трогания частично определяет точность измерения контролируемого параметра. Момент трогания потенциометров лежит в пределах от единиц до десятков ньютон-миллиметров.

⇐ Предыдущая 1 2 34