Die Welt der Potentiometer – Grundlagen, Funktion, Anwendung

Potentiometer sind unverzichtbare Komponenten in der Welt der Elektronik. Diese variablen Widerstände ermöglichen nicht nur die präzise Einstellung von Spannungen und Widerständen, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle in der Steuerung und Messung elektrischer Potenziale. Seit ihrer Erfindung im 19. Jahrhundert haben sie sich erheblich weiterentwickelt und sind heute in unzähligen elektronischen Anwendungen zu finden – von der Lautstärkeregelung in Audiogeräten bis hin zur präzisen Positionsmessung in industriellen Systemen. Dieser Artikel wirft einen detaillierten Blick auf die Funktionsweise, die verschiedenen Typen und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Potentiometern.

Was sind Potentiometer?

Potentiometer oder „Potis“, wie sie unter Ingenieuren allgemein bekannt sind, sind im Wesentlichen Widerstände, die einen mechanischen Einstellmechanismus enthalten, der die manuelle Änderung ihres Widerstands ermöglicht. Widerstände bieten einen festen Widerstandswert und blockieren den Fluss von elektrischem Strom in einem Stromkreis oder „widerstehen“ diesem. Ein Potentiometer ist grundsätzlich ein variabler Widerstand.

Potentiometer fungieren als Spannungsteiler, mit denen sowohl der Spannungsausgang eines Stromkreises eingestellt als auch das elektrische Potenzial genau gemessen (oder abgelesen) werden kann – daher der Name Potentiometer. Sie erzeugen ein stufenlos einstellbares Spannungsausgangssignal, das proportional zur physischen Position des Schleifers auf dem Widerstandselement ist. Sie sind passive Komponenten, welches bedeutet, dass sie keine Stromversorgung oder zusätzliche Schaltungen benötigen, um zu funktionieren.

Eine kurze Geschichte der Potentiometer

Mit der Explosion in der Forschung und Entwicklung der Elektrizität in den frühen 1800er Jahren wurde der Gedanke an eine Komponente, die verwendet werden könnte, um die Menge an Elektrizität zu steuern, die in ein Gerät oder einen Stromkreis fließt, von vielen Menschen erforscht, aber das Konzept des Potentiometers wurde erst im Jahr 1841 vorgeschlagen. Es dauerte bis zum Jahr 1872, bis das erste funktionierende Kohlenstoffpotentiometer von Thomas Edison erfunden wurde.

Die heute erhältlichen Potentiometer sind deutlich kleiner und genauer als frühere Geräte und je nach Anwendung in einer Vielzahl von Typen und Paketen erhältlich. Sie werden häufig in Geräten und Systemen verwendet, um Werte einschließlich Lichtpegel, Audio-Lautstärke und Audiosignale sowie Video-Helligkeit und -Farbe zu steuern. Sie können auch als Positionssensoren fungieren.

Wie funktionieren Potentiometer?

Der Widerstand eines Objekts hängt von mehreren Faktoren ab. Wenn alles andere konstant gehalten wird, ist der Widerstand eines Objekts direkt proportional zu seiner Länge. Mit anderen Worten, ein Objekt aus dem gleichen Material und dem gleichen Größenquerschnitt, das 10 Zentimeter lang ist, ist nur halb so widerstandsfähig wie ein anderes Objekt, das 20 Zentimeter lang ist. Potentiometer verwenden dieses Prinzip. Der einstellbare Ausgang eines Potentiometers wird durch Variieren der linearen oder rotatorischen Position eines Schleifkontakts über ein gleichmäßiges Widerstandselement erreicht, wodurch der Stromweg verlängert oder verkürzt wird. Die Eingangsspannung wird über die gesamte Länge des Widerstandselements und die Ausgangsspannung als Spannungsabfall zwischen dem festen Widerstandselement und dem Schleif- oder Drehkontakt angewandt. Die Position des beweglichen Kontakts über dem Widerstandselement bestimmt die Höhe der Eingangsspannung, die an die Schaltung angelegt wird.

Potentiometer werden sehr selten verwendet, um mehr als ein Watt zu regeln, da das Gerät die Eingangsleistung abführen muss und unzulässige Wärme erzeugen würde. Sie funktionieren stattdessen mittels Anpassung analoger Signale, die von anderen Komponenten zur Leistungssteuerung verwendet werden. Beispielsweise nutzt ein einfacher Lichtdimmer ein Potentiometer, um einen TRIAC, der die Lichthelligkeit variiert, zu steuern.

Verfügbare Typen von Potentiometern

Potentiometer sind in zwei Hauptformen erhältlich: analoge und digitale Potentiometer. Ein herkömmliches analoges Potentiometer verwendet mechanische Elemente, die manuell manipuliert werden können, um den Ausgang zu steuern. Analoge Potentiometer sind in Linear- und Drehformaten erhältlich:

Drehpotentiometer verwenden eine Winkelbewegung von einem Drehknopf und einer Welle, die mit einem Schleifelement, das über das Widerstandselement gleitet, verbunden ist. Das Drehen der Welle variiert den Widerstand und den Ausgang. Potentiometer können auch wellenlos sein, wobei ein externes Werkzeug wie ein Schraubendreher typischerweise den Platz der Welle einnimmt, um den Schleifer zu bewegen. Diese werden am häufigsten als Trimmerpotentiometer oder Trimmer bezeichnet.

Linearpotentiometer verwenden lineare (oder geradlinige) Bewegung über einen Schleifer, um das Widerstandselement zu kontaktieren und den Widerstand und die Leistung zu variieren.

Digitale oder elektronische Potentiometer werden durch digitale Signale anstelle von mechanischen Bewegungen gesteuert, um den Ausgang zu variieren.

Zusätzliche Untertypen von Potentiometern

Es gibt verschiedene Untertypen von analogen Potentiometern, und zwar sowohl lineare als auch rotatorische, die für eine Anwendung spezifiziert werden können. Dazu gehören:

• Voreinstellungen und Trimmer: Dies sind kleine, in der Regel auf der Platine montierte Geräte, die mit einem kleinen Schraubendreher eingestellt werden und zur Abstimmung und Kalibrierung einer Schaltung dienen. Voreinstellungen haben bestimmte Werte und Trimmer bieten eine hohe Auflösung über Multiturn-Schrauben. Diese werden hauptsächlich während der Kalibrierung des Systems verwendet und bleiben die meiste Zeit an einer festen Position.
• Dual Gang: Dies sind zwei Potentiometer, die auf der gleichen Welle kombiniert sind und die parallele Einstellung von zwei Kanälen ermöglichen.
• Servo-Poti: Dies ist ein Potentiometer, das an einer rotierenden Welle (Motor) angebracht ist und die Position erfassen kann, indem der Impuls gemessen wird, der zum Drehen des Motors angewendet wird, bis das Potentiometer anzeigt, dass die Position dem eingehenden Impuls entspricht. Es wird häufig in der Robotik oder in Anwendungen, bei denen eine präzise Bewegungssteuerung erforderlich ist, eingesetzt.
• Logarithmische: Diese ändern den Widerstand logarithmisch, wenn das Potentiometer eingestellt wird, und verfolgen genau die logarithmische Schallantwort des menschlichen Ohrs. Als Lautstärkeregler in Audiogeräten verwendet.
• Konzentrische: Zwei Drehpotentiometer, die mit ihren Wellen auf der gleichen Achse gestapelt sind und Lautstärke- und Tonregler durch ein einziges Montageloch ermöglichen.
• Daumenrad: Es verwendet ein Drehrad mit einer taktilen Kante, um die Einstellung des Geräts per Fingerspitze zu ermöglichen. Dieses wird typischerweise für Lautstärke- und Helligkeitsregler verwendet.
• Schleifer und Doppelschleifer: Sie verwenden ein Widerstandselement und einen Schleifkontakt, um den Widerstand über eine lineare Bewegung einzustellen. Dadurch ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen der Position des Läufers und dem Ausgangswiderstand, sodass dieser Typ auch als resistiver Positionssensor (linearer Wegsensor) verwendet werden kann. Dual Slide Potentiometer verfügen über einen einzigen Schleifer, der zwei Potentiometer parallel steuert. Schleif-Potis werden häufig in Studio-Mixern, Fadern oder grafischen Equalizern verwendet.
• Motorisierter Schleifer: Er verwendet ein Schiebepotentiometer mit einem Zahnriemen, der von einem kleinen Gleichstrommotor und einer Zahnriemenscheibe angetrieben wird, um eine automatische Fernsteuerung zu ermöglichen. Er wird häufig in industriellen Automatisierungs- und Prozesssteuerungsanwendungen verwendet.
• Single- und Multi-Turn: Single-Turn-Potis bieten eine einzige Umdrehung von etwa ¾ einer vollen Umdrehung des Drehknopfes, um eine angemessene Regelauflösung für die Anwendung zu gewährleisten. Multi-Turn-Potis bieten mehrere Umdrehungen des Bedienknopfs für erhöhte Präzision, wenn eine hohe Auflösung erforderlich ist.

Was ist der Unterschied zwischen Potentiometern und Rheostaten?

Die einfachste Erklärung für den Unterschied zwischen diesen beiden Geräten ist die: Ein Potentiometer ist ein Gerät mit drei Anschlüssen, das zur Spannungssteuerung verwendet wird. Ein Rheostat ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen, das zur Stromsteuerung verwendet wird. Indem man jedoch einfach ein Bein eines Potentiometers unverbunden lässt, ist es möglich, Potentiometer als Rheostate zu verwenden.

Rheostate sind im Allgemeinen drahtgewickelte variable Widerstände mit hoher Wattzahl, die in Hochstromanwendungen verwendet werden, um den Stromfluss zu Geräten wie Lampen und Motoren zu steuern. Sie enthalten Spulen aus Hochleistungsdraht, die den Widerstand in inkrementellen Schritten ändern, indem sie die Position des Gleitelements auf dem Widerstandselement ändern. Rheostate werden nicht durch ihren Widerstandswert, sondern durch ihre Fähigkeit, mit großen Leistungen umzugehen, spezifiziert.

Sind Potentiometer und Drehgeber gleich?

Ein Drehgeber ist eine elektromechanische Vorrichtung, die die Winkelposition oder Bewegung einer Welle in ein digitales Signal umwandelt. Sowohl Potentiometer als auch Drehgeber erfassen die Drehung einer Welle, aber sie arbeiten mit anderen Prinzipien, bieten unterschiedliche Komplexitätsgrade und erfordern verschiedene Aufbauten.

Potentiometer sind grundsätzlich analoge Geräte, obwohl es digitale Variationen gibt. Drehgeber sind digitale Geräte, die eine binäre Logik verwenden, um die Position anzuzeigen, daher ist eine separate Schaltung erforderlich, um ihren Ausgang in ein nutzbares Signal zu übersetzen.

Potentiometer bieten eine einfachere Einrichtung als Drehgeber, ermöglichen stufenlose Eingänge, können die Spannung nichtlinear teilen und andere analoge Geräte leicht steuern. Drehgeber hingegen können sich kontinuierlich drehen, haben ein digitales Signal und bieten eine hervorragende Auflösung. Zwar sind sie tendenziell teurer als Potentiometer, aber aufgrund ihrer Präzision in der Motorsteuerung sind sie auf ihre Weise ideal für Industrie, Automatisierung und Robotik.

Ein Wort über die Konizität des Potentiometers

Die Konizität des Potentiometers gibt an, wie sich der Widerstand ändert, wenn sich der Geräteanker dreht oder sein Schleifer auf dem Widerstandselement gleitet. In einigen Potentiometer-Designs ist dies eine lineare Beziehung, welches bedeutet, dass, wenn sich der Anker oder Schleifer in seiner Mittelposition befindet, der variable Widerstand die Hälfte des vollständigen Widerstands des Potentiometers beträgt.

Andere Designs bieten eine nichtlineare, logarithmische Verjüngung (auch Audio-Taper genannt), die die logarithmische Klangantwort des menschlichen Ohrs besser nachahmt. Dies vermittelt den Eindruck einer ausgewogeneren Lautstärkeeinstellung über die volle Umdrehung oder den Schieberegler eines Audio-Lautstärkereglers. Es sind auch inverse logarithmische Potentiometer erhältlich, die eine umgekehrte Betriebsweise bieten. Diese werden beispielsweise in Audiosteuerungen verwendet, die gegen den Uhrzeigersinn arbeiten.

Potentiometer-Widerstandswerte

Potentiometer werden in der Regel durch ihren Gesamtwiderstandswert bewertet und spezifiziert. Dieser Widerstandswert bezieht sich auf das gesamte Widerstandselement von einem Anschluss zum anderen. Daher hat ein Potentiometer mit einer Nennleistung von 1 kΩ (kOhm) einen Widerstand über seine Spur, der einem festen Widerstand von 1 kΩ entspricht.

Zu den weiteren Parameter, die bei der Beschaffung eines Potentiometers zu berücksichtigen sind, gehören:

• Nennleistung: Sie bezeichnet die maximale Leistung, die das Gerät ohne Schaden aufnehmen kann.
• Auflösung: Sie bezeichnet die Genauigkeit des Potentiometers, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtwiderstands und des sich ändernden Widerstands, der durch jede inkrementelle Bewegung des Kontakts auf dem Widerstandselement verursacht wird.
• Schleifgeräusch: Es bezeichnet die Menge an elektronischem Rauschen, das durch die Bewegung interner Kontaktteile erzeugt wird.
• Temperaturkoeffizient: Er bezeichnet, wie sich der beobachtete Widerstand in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Geräts ändern kann.
• Mechanische Lebensdauer: Sie bezeichnet, wie lange das Gerät nach Spezifikation arbeitet, normalerweise ausgedrückt als Anzahl der Zyklen.

Anwendbare Symbole und Kennzeichnungen

Potentiometersymbole in einem Schaltungsdesign können abweichen. Die (amerikanische) ANSI-Norm besteht aus zwei geraden Linien mit Zickzacklinien dazwischen. Die (europäische) IEC-Norm ist ein Rechteck zwischen zwei geraden Linien.

Einzelne Geräte sind in der Regel auf dem Gerät mit einem genauen Widerstandswert gekennzeichnet, wie z. B. 1K für ein 100 kΩ-Potentiometer. Sie können auch mit einem dreistelligen Code gekennzeichnet werden, wobei die ersten beiden Ziffern den Wert des Geräts und die letzte Ziffer den Multiplikator darstellt. Potentiometer, die in den USA und Asien hergestellt werden, sind in der Regel mit einem „A“ für logarithmische Verjüngung, „B“ für lineare Verjüngung oder „C“ für umgekehrte logarithmische Verjüngung gekennzeichnet.  

Einige Fragen vor der Spezifikation

Zu den grundlegenden Fragen, die beantwortet werden müssen, gehören:

• Was sind meine erforderlichen Gerätespezifikationen (Widerstandswert, Widerstandsbereich, Leistungskapazität etc.)?
• Benötigt mein Design eine Dreh- oder Schiebefunktion?
• Benötige ich eine lineare oder logarithmische Verjüngung?
• Wie lange muss das Gerät nach Spezifikation funktionieren?
• Wird das Gerät in rauen Umgebungen eingesetzt?
• Welche Stellfläche ist erforderlich?
• Wie wird das Gerät montiert?

Häufige Anwendungen von Potentiometern

Wie bereits erwähnt, werden Potentiometer üblicherweise verwendet, um Werte in Audio- und Videovorrichtungen oder -systemen einschließlich Lautstärke, Helligkeit, Kontrast und Farbe zu steuern. Sie können auch zur Messung der Spannung in Prüfgeräten und zur Positionserfassung in Prozesssteuerungs- und Automatisierungssystemen verwendet werden. Ihre Flexibilität und sogar die Möglichkeit, Potentiometer als Rheostate zu verwenden, haben dazu geführt, dass Potentiometer nicht mehr nur für die üblichen Anwendungen eingesetzt werden, sondern sich in fast alle analogen und viele digitale Anwendungen integrieren lassen. Wann immer die Möglichkeit besteht, einen Stromkreis aktiv zu steuern oder Rückmeldungen von einem Stromkreis zu erhalten, kann ein Potentiometer in Betracht gezogen werden.

Potentiometer sind relativ einfache Geräte, die bewährte Technologien nutzen, um die notwendige Funktion der Spannungssteuerung oder -messung in vielen Arten von elektronischen oder elektrischen Geräten oder Systemen bereitzustellen. Sie können auch eine präzise Abtastung und Messung von linearen oder rotierenden Bewegungen ermöglichen. Ihre Verfügbarkeit in einer Vielzahl von Paketen, Bewertungen, Größen und Designs stellt sicher, dass sie an eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen angepasst werden können. CUI Devices bietet eine Reihe von Potentiometern in Dreh- oder Trimmeroptionen mit einer Vielzahl von Widerstandswerten.