Потенциометр
Потенцио́метр (от лат. potentia — «сила» и греч. μετρεω — «измеряю») — измерительный прибор, предназначенный для определения напряжения путём сравнения двух, в общем случае, различных напряжений или ЭДС с помощью компенсационного метода. При известном одном из напряжений позволяет определять второе напряжение.
Исторически потенциометр — один из первых точных измерителей напряжений — вольтметров. Изобретён немецким физиком Иоганном Поггендорфом в 1841 году[1].
Потенциометр (измерительный прибор) не следует путать с трёхвыводным переменным резистором — электронным компонентом, жаргонно также называемым «потенциометром».
Иногда «потенциометрами» не совсем корректно называют датчики перемещений и поворотов, основанные на потенциометрический схеме, например, датчики положения дроссельной заслонки в двигателях внутреннего сгорания.
Принцип действия
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5c/Spannungskompensator.svg/220px-Spannungskompensator.svg.png)
Потенциометр представляет собой
К делителю напряжения подключаются источник, напряжение которого известно (), и источник, напряжение которого нужно определить ().
Известное с достаточной точностью одно из сравниваемых напряжений принято называть «опорным напряжением» или «опорной ЭДС». В иностранной литературе опорное напряжение называют «референтным напряжением» и обычно обозначают .
Ручной или автоматической регулировкой сопротивлений делителя напряжения добиваются, чтобы напряжение , снимаемое с делителя, стало равным напряжению (или ЭДС) . Равенство напряжений () обычно называют «балансом напряжений». Индикатором «баланса» служит чувствительный измеритель малых токов (или напряжений), часто называемый «нуль-индикатором» и на рисунке обозначенный буквой «O». При ток , текущий через нуль-индикатор «О», будет равен 0.
В качестве нуль-индикаторов исторически первыми стали применять чувствительные гальванометры. В современной электронике в качестве нуль-индикатора применяют дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления.
Для схемы, изображённой в верхней части рисунка, по правилам Кирхгофа
а с учётом :
где:
- — сопротивление участка переменного резистора от низа (по рисунку) до подвижного контакта;
- — полное сопротивление переменного резистора.
Для схемы, приведённой снизу рисунка
То есть, зная соотношение сопротивлений резисторов делителя напряжения при равенстве напряжений («балансе»), можно численно выразить одно напряжение ( или ) через другое напряжение ( или соответственно).
В качестве переменного сопротивления исторически применяли реохорд. Реохорд представлял собой кусок натянутой проволоки постоянного поперечного сечения с тремя электрическими выводами. Первые два вывода прикреплялись к концам проволоки, а третий (ползунок) мог перемещаться вдоль проволоки. Электрическое сопротивление однородного куска проволоки длиной и постоянного поперечного сечения выражается формулой где — удельное электрическое сопротивление материала проволоки. Зная длину проволоки , расстояние от края проволоки до ползунка и напряжение между концами проволоки, можно определить напряжение (равное ) между ползунком и концом проволоки:
Реохорды, представляющие собой кусок проволоки, в современных потенциометрах практически не применяют, только иногда используются в демонстрационных целях. Современный реохорд представляет собой переменных резистор, обычно выполнен в виде однослойной спиральной намотки высокоомной проволоки на прямолинейное или тороидальное основание (каркас). Название «реохорд» в потенциометрах прочно закрепилось за этими переменными резисторами.
В качестве источника опорного напряжения (ИОН) исторически применялись электрохимические источники стабильного во времени и воспроизводимого напряжения — нормальные электрохимические элементы. В современных потенциометрах в качестве источников опорного напряжения применяют обычно полупроводниковые прецизионные ИОНы — термокомпенсированные стабилитроны и ИОНы «запрещённой зоны».
Если нагружение источника известного напряжения на резистивный делитель напряжения недопустимо, например, в случае применения источников с высоким внутренним сопротивлением, то по этому источнику предварительно калибруют другой источник с достаточно малым внутренним сопротивлением.
При балансе напряжений резистивного делителя и опорного напряжения ток через нуль-индикатор (гальванометр) равен нулю. Таким образом, источник опорного напряжения работает при балансе в режиме холостого хода, что позволяет использовать в качестве источников опорного напряжения прецизионные источники с высоким внутренним сопротивлением, например, нормальные электрохимические элементы. Аналогично, по этой же причине возможно измерение ЭДС источников неизвестного напряжения с высоким внутренним сопротивлением без искажения результата измерения, например, ЭДС электрохимических потенциометрических датчиков.
Особенности потенциометров для измерения сверхмалых напряжений
При измерении сверхмалых напряжений (на уровне микровольт — долей милливольта) становится существенным искажение результата измерения от
Регистрирующие и самопишущие автоматические потенциометры
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dd/Spannungskompensator_selbstabgleichend.svg/350px-Spannungskompensator_selbstabgleichend.svg.png)
* усилитель рассогласования схематически изображён в виде операционного усилителя;
* источник опорного (известного) напряжения представлен в виде перечёркнутого кружочка;
* «M» — электродвигатель для перемещения подвижного контакта (движка, ползунка) реохорда;
* — напряжение, снимаемое с реохорда;
* — напряжение, которое требуется определить;
* — напряжение рассогласования
Помимо измерительных потенциометров, в которых балансировка (изменение сопротивлений резистивного делителя до достижения равенства измеряемого напряжения и напряжения, снимаемого с реохорда) выполняется вручную, существуют потенциометры с автоматической балансировкой. Автоматические устройства широко используются, например, в самопишущих регистрирующих приборах (самописцах процессов на бумажной ленте), которые до сих пор распространены в системах управления производственными процессами. Электромеханические потенциометры постепенно вытесняются цифровыми устройствами хранения и отображения информации.
Принцип действия автоматических потенциометров основан на применении следящего электромеханического контура автоматического регулирования. Измеряемое напряжение и напряжение с движка реохорда подаются на
Литература и документация
- Кузнецов В. А., Долгов В. А., Коневских В. М. и др. Измерения в электронике: Справочник / Под ред. В. А. Кузнецова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — С. 30-35. — 512 с.
- Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.:Энергоатомиздат, 1983
Примечания
- ↑ Thomas B. Greenslade, Jr. Potentiometer, retrieved 2010 Nov 2 . Physics.kenyon.edu. Дата обращения: 11 июня 2017. Архивировано 4 октября 2009 года.