De complete gids over potentiometers (2024)

Potentiometers, ook wel ‘potmeters’ genoemd, zijn fundamentele onderdelen in de elektrotechniek. Deze veelzijdige componenten spelen een centrale rol bij het controleren en meten van elektrische signalen en vormen een dynamische interface tussen schakelingen en de fysieke wereld waarmee ze communiceren. Of het nu gaat om audiosystemen of robotica, potentiometers vinden hun doel in tal van toepassingen, waardoor zij een onmisbare aanwinst zijn in het veld.

Dit artikel gaat verder in op potentiometers, te beginnen met hun grondbeginselen, constructie en interne werking. Vervolgens worden de diverse soorten potentiometers besproken, het verschil tussen potentiometers, reostaten en encoders, en de belangrijkste ontwerpoverwegingen en specificaties.

Grondbeginselen van de potentiometer

Potentiometers zijn weerstandscomponenten met een mechanisch instelmechanisme waarmee de weerstand handmatig kan worden gewijzigd. In tegenstelling tot vaste weerstanden die een constante weerstandswaarde hebben, fungeren potentiometers als variabele weerstanden.

Deze componenten werken als spanningsdelers en dienen een tweeledig doel: het regelen van de uitgangsspanning in een schakeling en het nauwkeurig meten van de elektrische potentiaal, vandaar hun benaming als potentiometers. Door de positie van de loper over het weerstandselement aan te passen, genereren potentiometers een continu variabel spanningsuitgangssignaal. Het is belangrijk op te merken dat potentiometers passieve componenten zijn, wat betekent dat zij geen voeding of extra schakelingen nodig hebben om te functioneren.

Afbeelding1: Typisch binnenwerk van een draaipotentiometer. (Bron afbeelding: CUI-apparaten)

De weerstand van een object hangt af van verschillende factoren en één belangrijke factor is de lengte. Wanneer alle andere parameters constant blijven, is de weerstand van een voorwerp recht evenredig met zijn lengte. Dit betekent dat een object met een lengte van 20centimeter half zoveel weerstand heeft als een object met een lengte van 40centimeter, als ze van hetzelfde materiaal gemaakt zijn en dezelfde doorsnede hebben. Potentiometers maken gebruik van dit principe om een regelbaar vermogen te verkrijgen.

De regelbare output van een potentiometer wordt bereikt door de lineaire of draaipositie van een sleepcontact langs een element met uniforme weerstand te wijzigen, waardoor het pad waarlangs de stroom vloeit, wordt gewijzigd. De ingangsspanning wordt over de hele lengte van het weerstandselement aangelegd, terwijl de uitgangsspanning wordt verkregen als het potentiaalverschil tussen het vaste weerstandselement en het sleep- of draaicontact. De positie van het beweegbare contact langs het weerstandselement bepaalt de mate waarin de ingangsspanning op de schakeling wordt gezet.

Het is belangrijk om te weten dat potentiometers gewoonlijk niet worden gebruikt om een vermogen van meer dan een watt direct te regelen. Deze beperking komt voort uit het feit dat het component zelf het ingangsvermogen moet afvoeren, wat leidt tot de opwekking van overmatige warmte. In plaats daarvan worden potentiometers gebruikt om analoge signalen die door andere componenten worden gebruikt, aan te passen om zo het vermogen te regelen. Ter illustratie: een basisdimmer gebruikt een potentiometer om een TRIAC (Triode for Alternating Current) aan te sturen, die op zijn beurt de helderheid van het licht varieert.

Soorten potentiometers

Er zijn ruwweg twee soorten potentiometers: analoog en digitaal. In dit artikel ligt de nadruk op analoge potentiometers die afhankelijk zijn van de manipulatie en regeling van de output van mechanische elementen. Analoge potentiometers worden verder ingedeeld in lineaire en draaiversies.

Draaipotentiometers maken gebruik van een roterende beweging door middel van een draaiknop die verbonden is met een loperelement. Dit loperelement schuift langs het weerstandselement, zodat de weerstand kan worden gewijzigd en het uitgangssignaal kan worden aangepast. Door aan de knop te draaien, kunnen de weerstand en het vermogen dienovereenkomstig worden gevarieerd. Ook zijn er potentiometers zonder draaiknop, waarbij de loper wordt bewogen met behulp van bijvoorbeeld een schroevendraaier, zodat er geen fysieke as nodig is. Deze worden gewoonlijk instelpotentiometers of trimmers genoemd.

Lineaire potentiometers daarentegen maken gebruik van een lineaire of rechtlijnige beweging via een schuifmechanisme om contact te maken met het weerstandselement. Deze lineaire beweging maakt het mogelijk de weerstand te variëren en vervolgens de uitgangsspanning aan te passen.

Afbeelding2: Vergelijking van lineaire en draaipotentiometers. (Bron afbeelding: CUI Devices)

In tegenstelling tot analoge potentiometers maken digitale of elektronische potentiometers gebruik van digitale signalen voor de regeling van de uitgang, zodat er geen mechanische beweging nodig is.

Potentiometers versus reostaten en encoders

In wezen ligt het voornaamste onderscheid tussen een potentiometer en een reostaat in hun beoogde toepassingen en aansluitconfiguraties. Een potentiometer is een component met drie ingangen dat hoofdzakelijk wordt gebruikt voor spanningsregeling, terwijl een reostaat twee ingangen heeft en wordt gebruikt voor stroomregeling. Het is echter het vermelden waard dat potentiometers kunnen worden gebruikt als reostaten door één klem niet aan te sluiten.

Reostaten daarentegen zijn speciaal ontworpen om de stroom in een schakeling te regelen. Ze hebben doorgaans twee aansluitingen en worden gekenmerkt door een hoog wattage en een draadgewonden constructie. Reostaten worden gewoonlijk gebruikt in toepassingen met een hoge stroomsterkte om de stroom naar apparaten zoals lampen en motoren te regelen. Ze bevatten spoelen met een dikke draad die incrementele veranderingen in weerstand mogelijk maken door de positie van het schuifelement langs het weerstandselement te variëren. In tegenstelling tot potentiometers worden reostaten gespecificeerd op basis van hun vermogen en niet op basis van hun weerstandswaarde.

Afbeelding3: Schema van de potentiometer en de reostaat. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Vervolgens vergelijken we een draaiencoder en een potentiometer: beide maken gebruik van de rotatie van een as, maar ze werken volgens verschillende principes, zijn in verschillende mate complex en vereisen verschillende instellingen. Hieronder wordt ingegaan op de verschillen tussen deze twee componenten:

1. Werkingsprincipe:
   • Potentiometers: potentiometers zijn voornamelijk analoog, hoewel er ook digitale varianten bestaan. Ze zijn afhankelijk van de verandering in weerstand als de as draait om de positie aan te geven of het spanningsniveau aan te passen.
   • Draaiencoders: draaiencoders zijn digitale componenten die binaire logica gebruiken om de hoekpositie of hoekverdraaiing van een potmeteras te coderen en over te brengen als een digitaal signaal. Ze maken gewoonlijk gebruik van capacitieve, optische of magnetische detectietechnieken.
2. Complexiteit van het gebruik:
   • Potentiometers: potentiometers zijn in het algemeen eenvoudiger te gebruiken en aan te sluiten. Ze kunnen gemakkelijk in schakelingen worden geïntegreerd zonder dat complexe signaalconditionering nodig is.
   • Draaiencoders: aangezien draaiencoders digitale componenten zijn, zijn aanvullende schakelingen nodig, zoals voor signaalconditionering, decodering en interfacing, om het digitale uitgangssignaal te verwerken en te interpreteren.
3. Ingangsbereik en resolutie:
   • Potentiometers: potentiometers maken door hun analoge kenmerken een traploze input mogelijk. Ze bieden een soepel en continu waardenbereik, waardoor een nauwkeurige regeling mogelijk is. Ze kunnen ook de spanning op niet-lineaire wijze verdelen, waardoor aangepaste responscurves mogelijk zijn.
   • Draaiencoders: draaiencoders kunnen continu draaien en geven feedback met een uitstekende resolutie. Ze bieden nauwkeurige positie- of bewegingsinformatie in digitale vorm, waardoor regeling en terugkoppeling met hoge resolutie mogelijk zijn. Ze bieden bijzonder veel voordelen in toepassingen die een nauwkeurige motorregeling of positienauwkeurigheid vereisen.
4. Toepassingsoverwegingen:
   • Potentiometers: potentiometers worden vaak gebruikt in toepassingen die een analoge regeling vereisen, zoals volumeregeling in audiosystemen of fijnafstelling in kalibratieprocessen.
   • Draaiencoders: draaiencoders worden toegepast in industriële, automatiserings- en robottoepassingen waar precieze digitale feedback, hoge resolutie en nauwkeurige positiebepaling essentieel zijn. Ze blinken vooral uit in motorregelsystemen en toepassingen die nauwkeurige hoekmetingen vereisen.

Potmeterverloop

Het verloop van een potentiometer verwijst ernaar hoe de weerstand verandert naarmate de draaiknop wordt versteld of de loper langs het weerstandselement schuift. Er zijn twee belangrijke potmeterverlopen: lineair en logaritmisch (ook wel audioverloop genoemd).

Bij potentiometers met een lineair verloop is het verband tussen de stand van de loper en de weerstand lineair. Dit betekent dat wanneer de schuifregelaar in het midden staat, de variabele weerstand de helft is van de volle weerstand van de potentiometer. Potentiometers met een lineair verloop bieden een gelijkmatige verandering in de weerstand over hun hele bewegingsbereik.

Potentiometers met een logaritmisch verloop bieden een niet-lineaire respons die de logaritmische gevoeligheid nabootst waarop het menselijk gehoor geluid waarneemt. Dit verloop wordt gewoonlijk gebruikt in audioapparatuur, zoals volumeregelaars, om een evenwichtiger perceptie van volumeregeling te verkrijgen. Bij een logaritmisch verloop resulteren kleine veranderingen in de eerste stadia van de rotatie in grotere volumeveranderingen, terwijl grotere veranderingen in de latere stadia van de rotatie tot kleinere volumeveranderingen leiden. Daarnaast zijn er omgekeerd logaritmische potentiometers, die voornamelijk worden gebruikt in audioregelaars die linksom werken.

Andere belangrijke specificaties

Hier volgen enkele andere belangrijke parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een potentiometer:

• Weerstand: dit is de weerstand over de gehele lengte van het weerstandselement, van het ene aansluitingspunt tot het andere. Als een potentiometer bijvoorbeeld een nominale waarde heeft van 2kΩ (kilohm), betekent dit dat de weerstand over de baan gelijk is aan een vaste weerstand met een waarde van 2kΩ.
• Nominaal vermogen: het maximale vermogen geeft aan hoeveel vermogen een potentiometer aankan om oververhitting of storing te voorkomen.
• Resolutie: verwijst naar de nauwkeurigheid van de potentiometer gezien de incrementele veranderingen in weerstand. Dit wordt gewoonlijk uitgedrukt als een percentage van de totale weerstand en vertegenwoordigt de kleinste waarneembare verandering in weerstand per incrementele beweging van de loper op het weerstandselement.
• Sliding noise: de elektronische ruis die ontstaat tijdens de beweging van de interne contactdelen van de potentiometer. Deze ruis kan de nauwkeurigheid van het gewenste signaal verstoren of ongewenste artefacten introduceren.
• Temperatuurcoëfficiënt: geeft aan hoe de weerstand van de potentiometer kan veranderen bij variaties in de bedrijfstemperatuur. Potentiometers met een lagere temperatuurcoëfficiënt bieden stabielere weerstandswaarden over een breed temperatuurbereik, zodat zij onder verschillende thermische omstandigheden constante prestaties leveren.
• Mechanische levensduur: de verwachte levensduur van de potentiometer met betrekking tot het aantal cycli dat kan worden verdragen met behoud van prestatiespecificaties.

Conclusie

Potentiometers bieden tal van voordelen, zoals een eenvoudig ontwerp, betaalbaarheid, groot weerstandsbereik, eenvoudige bediening en bewezen technologie. Ze zijn betrouwbare componenten voor spanningsregeling, meting en nauwkeurige detectie van lineaire of draaibewegingen in elektronische en elektrische systemen. Het is echter belangrijk om rekening te houden met hun beperkingen, zoals de beperkte bandbreedte, stroomverwerkingsmogelijkheden, mechanische slijtage en mogelijke elektrische ruis.

Desondanks is hun wijdverbreide gebruik te danken aan hun betrouwbaarheid en het vermogen om aan uiteenlopende eisen te voldoen. CUI Devices biedt een uitgebreide selectie van draaipotentiometers en instelpotmeters die voldoen aan de specifieke behoeften van diverse projecten.