1.4 Классификация потенциометров

По конструктивному исполнению потенциометры подразделяются на:

- одинарные;

- блочные (сдвоенные, строенные и т.п.);

- однооборотные;

- многооборотные;

- с одним выходом оси;

- с двумя выходами оси.

По способу монтажа потенциометры подразделяются:

- с креплением при помощи гайки;

- с креплением при помощи вспомогательных деталей

По характеру перемещения подвижной системы потенциометры подразделяются:

- с круговым перемещением;

- с перемещением в пределах рабочего угла.

По характеру функциональной зависимости потенциометры подразделяются:

- с зависимостью по линейному закону;

- с зависимостью по нелинейному закону (тригонометрической функции, алгебраической функции и т.д.).

Электронные компоненты разделяются на два большие класса активные и пассивные. К последним относятся резисторы и потенциометры. На резисторы и потенциометры приходится от 20 до 45%, т. е. почти до половины общего количества радиодеталей в устройстве.

Функция резисторов — регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем. В зависимости от выполняемых функций различают резисторы постоянные, с фиксированной при изготовлении величиной сопротивления, и переменные, величина сопротивления которых может быть изменена путем перемещения подвижного контакта.

Известны два способа включения переменных резисторов в схему: потенциометрический и реостатный. Под «потенциометром» понимают переменный резистор, предназначенный для работы в потенциометрической схеме.

1.5 Проволочные потенциометры

Проволочные потенциометры, имеющие наибольшее распространение, делятся на однооборотные и многооборотные.

Эта группа потенциометров наряду с электрическими и точностными параметрами характеризуется также конструктивно-технологическими признаками.

Обычно функцию проволочных потенциометров задают тремя способами: с помощью фигурных каркасов, с помощью обмотки с переменным шагом и шунтированием отдельных участков обмотки линейных потенциометров.

Однооборотные потенциометры. Однооборотные проволочный потенциометр как устройство представляет собой резистивный элемент из проволоки малого диаметра с высоким омическим сопротивлением, намотанной в один ряд на изолированный каркас.

При перемещении движка по обмотке потенциометра (рисунок 2) его изогнутый конец касается следующего витка проволоки прежде, чем сходит с предыдущего, поэтому в момент перехода с витка на виток контакт не нарушается.

Рисунок 2 – Схема перемещения движка по обмотке потенциометра

Существует два способа компоновки конструкции потенциометров.

Потенциометры, применяемые в радиотехнической аппаратуре и в вычислительной технике, представляют собой отдельный прибор с большим количеством деталей, заключенный в кожух вместе с контактной группой. Потенциометры, используемые в гироскопических, навигационных и других приборах и автоматах, как правило, состоит из двух основных конструктивных элементов: резистивного элемента и подвижного контакта. Резистивный элемент таких потенциометров в боль­шинстве случаев закрепляют в корпусе или оправе, бандаже, скобе. В изделиях с потенцио­метрами последней группы ре­зистивный элемент и движок монтируют в разных блоках и стыкуют лишь при общей сбор­ке самого изделия.

Общими элементами в обеих группах потенциометров являются резистивный элемент и движок. Именно от них зависят надежность, точность воспроизведения функции и вся работа потенциометра. Потенциометры разделяют в зависимости от конструкции каркаса на кольцевые, дуговые, пластинчатые и стержневые. Каркас может иметь круглую, прямоугольную, овальную, эллиптическую и другие формы поперечного сечения.

Потенциометры каждого из указанных видов могут быть одинарными, двойными и тройными. Одинарные по­тенциометры применяются особенно широко — они составляют более 80% всех вы­пускаемых проволочных по­тенциометров, примерно 10% приходится па двойные потенциометры, остальное — настроенные и счетверенные.

По способу перемещения движка потенциометры делят­ся на потенциометры с прямолинейным перемещением движка, коль­цевые с ограниченно-круговым перемещением, кольцевые и плоские с неограниченно-круговым перемещением движка. К первой группе относятся потенциометры, резистивный элемент которых предста­вляет собой обмотку на каркасе с прямоугольным сечением.

Сообщить движку строго регламентированное прямолинейное перемещение, что особенно важно для вычислительных устройств н следящих систем, конструктивно и технологически значительно сложнее, чем сообщить контакту вращательное движение в коль­цевых потенциометрах. Поэтому потенциометры с прямолинейным перемещением контакта применяются главным образом в тех случаях, когда выходной элемент сопрягаемого устройства также передвигается прямолинейно.

Вторую группу составляют потенциометры, конструкция ко­торых принципиально не отличается от конструкции потенцио­метров первой группы. Каркас прямоугольного сечения из листо­вого изоляционного материала изогнут в кольцо и смонтирован в корпусе (рисунок 3). Движок скользит по верхнему ребру резистивного элемента от упора до упора на определенный угол (обычно это угол 330°).

Рисунок 3 – Прецизионный потенциометр

К третьей группе относятся потенциометры, резистивный элемент которых представляет собой каркас кольцевой формы с обмоткой. Каркасы таких потенциометров изготавливают из пластмасс или алюминиевых сплавов (последние покрывают изоляционным лаком). Движок может перемещаться на любой угол.

Четвертую группу составляют потенциометры, выходное напря­жение которых изменяется по синусоиде или другой тригоно­метрической функции. Такие потенциометры наматываются на каркас из плоского листа изоляционного материала, изоляцию на проволоке обмотки зачищают по окружности в месте касания токосъемного элемента.

Среди однооборотных и точностным характеристикам потенциометров относятся общее сопротивление (лежит в диапазоне от 1 до 50000 Ом), допуск на общее сопротивление (от 1 до 10%), род тока (около 95% потенциометров питаются от источников постоянного тока, остальные – от переменного).

Момент трогания потенциометров в зависимости от их конструкции находится в диапазоне от 3,5 до 110 г·см.

Условия эксплуатации оговариваются соответствующими условиями и нормалями.

Обмоточная проволока классифицируется по роду материала и ее термической обработке, диаметру (от 0,03 до 0,4 мм, а в отдельных случаях до 0,8 мм) и электрическим параметрам.

Из высокоточных потенциометров, выпускаемых зарубежными фирмами, наиболее распространены однооборотные пластинчатые и особенно кольцевые потенциометры. Эти потенциометры имеют повышенную точность благодаря улучшенной технологии изготовления деталей, корректирующим устройствам, а также намотке резистивного элемента на специальных намоточных станках с автоматической коррекцией по линейности.

Стандартные однооборотные потенциометры фирмы Spectrol имеют диаметр 33,33 мм, сопротивление от 10 до 30000 Ом, допуск на общее сопротивление ±3%, точность характеристики (линейной) ±0,5%, номинальную мощность рассеяния ( при 40°С) 2 Вт, срок службы 1000000 циклов, момент вращения 36 г·см. Вес такого потенциометра 28 г. Они могут работать при температуре от - 55° до +85°С. Стандартные элементы таких потенциометров – точные шарикоподшипники, контактные кольца, клеммы и зажимы, изготовленные из благородных металлов. Основные соединения в них осуществлены с помощью сварки. Фирма Mauey выпускает стандартные однооборотные потенциометры различных моделей диаметром от 12,7 до 76,2мм с сопротивлением от 25 до 50000 Ом и допуском ±5%, точность их характеристики (линейной) от 0,5 до 3%, номинальная мощность от 2 Вт (при 40°С) до 0,5 Вт (при 125°С), момент трогания от 70 до 560 г·см. Потенциометр может длительно работать в интервале температур от -55 до +125°С, а кратковременно при +150°С. Контакты таких потенциометров изготовлены из благородных металлов.

Однооборотные потенциометры могут быть выполнены не только одинарными, но и в виде блоков из одинарных потенциометров в любом их сочетании – сдвоенными, строенными, счетверенными. Блоки потенциометров имеют одну шкалу, устанавливаемую в последнем выводе основной оси потенциометра. Такие потенциометры классифицируются в зависимости от номинальной мощности рассеяния и посадочного диаметра, количества потенциометров в блоке, числа выводов оси и наличия корректирующего устройства, габаритных размеров, типа шкалы, соответствующей виду потенциометра с определенной функциональной зависимостью, электрической схемы потенциометра, разметки панелей и их крепления. На рисунке 4 представлен типовой счетверенный однооборотный потенциометр.

Рисунок 4 – Типовой счетверенный однооборотный потенциометр

Многооборотные потенциометры. За последние годы в вязи с повышением требований к потенциометрам, особенно к их надежности, были созданы многооборотные потенциометры, которые характеризуются большой разрешающей способностью. Корпусом (основой) у таких потенциометров служит медный провод диаметром 1 – 2 мм, свитый в залитую компаундом спираль с 3,5; 10; 15; 20; 25 или 40 витками. В отличие от однооборотных потенциометров намотку ведут голой (неизолированной) проволокой. Требуемый закон изменения сопротивления обеспечивается благодаря переменному шагу обмотки.

Конструктивное исполнение большинства многооборотных потенциометров не имеет принципиальных отличий, за исключением оформления крышки (рисунок 5,а).

Рисунок 5 – Многооборотный потенциометр

В качестве примера модно привести конструкцию 20-оборотного потенциометра типа ПМЛ-М (потенциометр прецизионный модернизированный линейный). Конструкция крышки таких потенциометров бывают двух типов (рисунок 5, б, в), что определяет способ крепления потенциометра в аппаратуре. Намотка резистивного элемента потенциометра (рисунок 5,а) выполняется на 20-витковой спирали 4 диаметров 1мм, армируемой в эпоксидном корпусе 5. Необходимые функциональ­ные зависимости получают, изменяя шаг намотки, диаметр и ма­териал проволоки. Токосъемный элемент выполнен в виде ролика 3, перемещающегося по спирали намотки вдоль токосъемной оси 9. На ролике установлена пружина, обеспечивающая надежный контакт между роликом и осью. С подвижной части напряжение снимается контактной втулкой 6 и тремя парами щеток 8. Все токосъемные элементы выполнены из сплавов па основе благород­ных металлов, что предотвращает коррозию, уменьшает переходное сопротивление, понижает уро­вень шумов и увеличивает срок службы. Выводы таких потен­циометров выполняются из спла­ва нейзильбер. За пределами ра­бочего угла намотки имеется так называемая технологическая намотка на дуге примерно 36° с ка­ждой стороны (до начального и после конечного выводов). Угол 36° ограничивают механические упоры. Герметичность потенцио­метров создастся системой сальников со стороны колпачков 2 и 7, имеющих прокладку. В потенциометрах подобной конструкции применяются шарикоподшипники из нержавеющей стали. Ось изготовляется из высокопрочного алюминиевого сплава В95-1. Опоры с двух сторон укреплены во фланцах 1.

На рисунке 6 приведена электрическая схема рассматриваемого потенциометра. Следует отметить, что если имеется более пяти выводов, то нумерация их возрастает соответственно числу вы­водов.

Рисунок 6

В лабораторных исследованиях находят некоторое применение многооборотные бесступенчатые потенциометры, точность кото­рых в основном зависит от равномерности сопротивления прово­локи по всей ее длине, биения, эллиптичности и конусности ба­рабана.

Вместе с тем многооборотные бесступенчатые потенциометры имеют недостатки, которые ограничивают их применение: они могут быть только линейными (при намотке на цилиндрические барабаны) и при этом сравнительно низкоомными; не допускают неограниченного кругового вращения; чтобы включить весь диапазон функции, число оборотов токосъемного элемента должно быть равно числу витков потенциометров, а это ограничивает быстроту их действия.

Многооборотные потенциометры, выпускаемые зарубежными фирмами, конструктивно мало отличаются друг от друга: в основном лишь габаритными размерами, номинальным значением общего сопротивления, числом витков основы (каркаса), которые в зависимости от общего сопротивления и точности характеристики изменяется от 3 до 40.

Достоинством многооборотных потенциометров являются небольшие габаритные размеры при высокой разрешающей способности (вследствие большого числа витков сопротивления) и высокой точности (применение неизолированной проволоки позволяет контролировать сопротивление непосредственно в процессе намотки, а отказ от профилированного каркаса позволяет автоматически корректировать, изменяя шаг намотки). Точность многооборотных потенциометров достигает сотых долей процента. Они обладают еще и тем преимуществом, что величина их погрешностей почти обратно пропорциональна числу витков. В то же время их момент вращения меньше, чем у однооборотных потенциометров. Если для вывода аргумента на однооборотных потенциометрах нужна скорость вращения 1об/сек, то чтобы задать ту же величину 10-оборотному потенциометру требуется скорость вращения 10 об/сек, т.е. 600 об/мин, что не всегда удобно и возможно. Поэтому многооборотные потенциометры можно применять лишь в устройствах, где требуется малая скорость и допускается большой момент вращения (200 – 500 г·см).

Появление многообразных потенциометров позволит значительно повысить точность и надежность работы потенциометрических схем, но это не значит, что они полностью заменят однооборотные потенциометры.