Potensiometer

Fig. 1 Spenningsdelar.

Fig. 2 Skematisk oppbygging av eit dreiepotmeter.

Eit potensiometer er ein tre-terminal spenningsdelar, som illustrert i fig. 1. Verdien til dei to motstandane $R_{1}$ og $R_{2}$ er variabel, men slik at summen av dei $R_{1}+R_{2}$ er konstant. Dei to motstandane er ikkje fysisk skilde, men består av ein samanhengane sirkelforma resitiv bane, som illustert i fig. 2. Den resistive banen er forbunden med ein terminal i kvar ende. Terminalen i midten er forbunden med ein fjørbelasta roterande kontakt som glir langs den sirkulære banen når akslingen vert rotert. Som illustrert nedst i fig. 2 dannar dei to motstandane $R_{1}$ og $R_{2}$ ein spenningsdelar. Den fysiske oppbygginga er vist i fig. 3. Om ein forbind midtterminalen med ein av dei to andre terminalane får ein ein variabel motstand.

Potmetere spelar ein viktig rolle innan lydteknologi, måleteknikk, automatisering, mekatronikk, prosesskontroll, robotteknologi, etc.

Fig. 3 Fysisk oppbygging av eit dreiepotmeter. A. Aksling B. Stationær motstandsbane C. Fjørbelasta roterande kontakt som glir langs motstandsbanen D. Feste mellom aksling og roterande kontakt E, G Terminalar med forbindelse til endane på den statiske motstandsbanen F. Terminal for roterande kontakt H. Kam for opsjonal av-på-brytar.

Resistiv motstandsbane

Den resistive motstandsbanen kan vera laga av ulike materialar, tilpassa ulike bruksområde, pris, etc.

Metalltråd

Dette er den eldste typen potmeter. Dei er bygde opp med ein metalltråd som er vikla rundt ein ikkje-leiande, ikkje-ferromagnetisk kjerne. Eit mykje nytta materialet i tråden er ei nikkel-krom-legering, med typisk 75 % Ni, 25 % Cr. Denne legeringa resulterer i ein temperaturkoeffisientar på på rundt ±5 ppm/°C. Ei koppar-nikkel-legeing, med typisk 55 % Cu. 45 % Ni, gir ein temperaturkoeffisientar på på rundt ±20 ppm/°C. Ei anna legering som har vore nytta er gull-platina, med noko innblanding av koppar og sølv, som typisk resulterer i ein temperaturkoeffisient på ±650 ppm/°C. Denne legeringa er svært motstandsdyktig mot oksidasjon og tek ikkje så lett skade i fuktig klima.

Karbonfilm

Den resistive banen var tidlegare laga av karbonpulver og fenolformaldehyd som vert lagt på eit fenolsubstrat og herda, men i dag vert det nytta eit keramisk underlag. Det resistive laget er typisk sett saman av grafitt eller et eit anna karbonbasert materiale. Denne samansetnaden fører til god haldbarheit og gir ei jamn og presis justering av motstanden. Karbonfilmpotmeter er mellom dei billigaste typane og dei er mykje nytta i masseprodusert forbrukarutstyr, der komponentprisane spelar ein viktig rolle. Temperaturkoeffisienten er relativt høg, så dei høver ikkje der ein trent stor nøyaktigheit, som i måleinstrument.

Karbonkompositt

Denne typen er bygd opp motstandsbanar som, saman med dei andre komponentane, vert støpt på ei kjerne. Dette konstruksjonen er varmeleiande, så potmetera tåler stor effekt utan at det går ut over påliteligheita. Men dei har høg temperaturkoeffisient og er ømtålige for fuktigheit. Dei har ikkje så stor nøyaktigheit og har meir dynamisk støy enn karbonfilmpotmeter. At dei tåler stor effekt gjer dei attraktive der det ikkje trengst så stor nøyaktigheit og dei er vanlege i kraftelektronikk.

Metallfilm

Metallfilmpotmeter vart produserte ved å det vert avsett ein film av ulike metallkomposittar, legeringar og oksydar på eit keramiske underlag ved hjelp av vakuumteknologi. Metallfilmpotmeter har fine toleransar, god oppløysing og lite støy, noko som er attraktivt i samband med multikanals potmeter (fleire potmeter på same aksling). Metallfilm er òg mindre utsett for aldringseffektar enn til dømes karbonkompositt. Ein anna føremon er at dei har liten distribuert induktans og kapasitans, så dei kan nyttast for høge frekvensar. Men slitestyrken er ikkje så god.

Leiande plast

Denne typen er ei vidareutvikling av karbonpotmetere. Den resistive banen er laga av mikroplastepoksy, polyester, fenol, polymar, etc., som vert blanda med karbonpulver og lagt på keramiske eller plastiksubstrat, som resulterer i svært stabile resistive banar med gode eigenskapar. For å oppnå låge motstandsverdiar vert det ofte blanda inn metallpulver av nikkel, sølv, koppar, etc. Temperaturkoeffisientar ned til ±200 ppm/°C er vanlege, men prisen er høgare enn for karbonpotmeter. Denne typen har god langtidsstabilitet og låg støy. Typisk makseffekt ligg mellom 250 og 500 mW.

Cermet

Den resistive banen er laga av eit fint pulver av ulike keramiske materialar og/eller glas, blanda med ulike edelmetall, som ved å varmast opp til ein omn ved nøyaktig kontrollert temperatur i området 800 °C til 1200 °C, i ei like nøyaktig kontrollert oppvarmingtid, vert til eit keramisk metall med den rette resitiviteten. Dei vanlegaste keramiske materiala er steatitt og aluminiumoksid, men forsteritt, porselen, zirkoniumdioksid, berylliumoksid, etc. vert òg nytta. Edelmetalla kan som vert nytta kan vera sølv, palladium, platina, ruthenium, rhodium og gull. Produsentane går ikkje ut med akkurat kva materiale og framstillingsmetodar dei nyttar, så ikkje alle cemet-potmeterera er like. Temperaturkoeffisientar i område ±50 til ±150 ppm/°C er vanlege. Cermetpotmeter har god oppløysing og støy, både statisk og dynamisk støy. Dei har liten induktans og kapasitans og er brukbare godt over 100 MHz. Den resistive banen fungerer som eit slipemiddel, så dei høver best som trimepotmeter. Typisk antal operasjonar for cermet trimpotmeter er ofte ikkje meir enn 200. Ein annan grunn for at dei høver som trimpotmetere er at dei har låg statisk støy og er stablie over tid. Det vert produsert panelmonterte cermet-potmeter, men dei er etter måten uvanlege. Typisk makseffekt ligg mellom 250 mW til 2 W.

Spesifikasjonar

Potmeter har mange parametrar som kan vera av interesse, men ikkje alle produsentane opplyser om alle verdiane, spesielt ikkje for billige potmeter. Potmeter som tilfredsstiller Mil-R-94-standarden må tilfredsstilla ei rad ulike minimumskrav. Ulike produsentar kan nytta ulike måtar å oppgje spesifikasjonane på, noko som kan gjera det vanskelg å samanlikna potmeter frå ulike produsentar.

Totalmotstand

Den totale motstanden over potmeteret inkluder motstanden i terminalane og vert oppgjenen i $\Omega$, saman med ein toleranse i %, som kan variera frå 5 % til 20 %. Trådvikla potmetere er dei mest nøyaktige, medan karbon og leiande plast har grovare toleransar. Motstanden vert av og til kalla verdien til potmeteret.

Variasjon i kontaktmotstanden

Kontaken mellom den fjørbelasta glidekontakten og motstandselementet har ein motstand på nokre få $\Omega$. Denne motsanden varierer litt når kontakten vert flytta og vert som oftast oppgjeven i % av totalmotstanden. Dette er ein dynamisk parameter.

Ekvivalent støymotstand

Når glidekontakten i eit metalltrådpotmeter vert flytta vil motstanden endrast i små sprang når han mistar kontakten med ein av trådane og får kontakt med neste. Denne variasjonen vert kalla ekvivalent støymotstand og er ein dynamisk parameter.

Linearitet

Lineariten kan spesifiserast på fleire ulike, men relaterte, måtar.

Absolutt linearitet

Fig. 4 Absolutt linearitet.

Absolutt linearitet vert oppgjeven i % av inngangsspenninga $E_{inn}$, som avviket mellom den målte verdien til $E_{ut}/E_{inn}$ frå ei teoretisk referanselinje, der $E_{ut}$ er utgangsspenninga. Avviket vert målt over heile det teoretiske området til utgangsspenninga (som kan avvika litt frå det verkelege området). Referanselinja vert definert som

${\frac {E_{ut}}{E_{inn}}}=m\left({\frac {\theta _{w}}{\theta _{T}}}\right)+b,$

der variablen $\theta _{w}$ er vinkelen til akslingen, $\theta _{T}$ er vinkelen når ${\frac {E_{ut}}{E_{inn}}}=1$, $m$ er gradienten til kurva og $b$ er startverdien til kurva ($b={\frac {E_{ut}}{E_{inn}}}$ når $\theta _{w}=0$), som generelt ligg litt over null, som illustrert i fig. 4. Absolutt linearitet er den lineariteten som det er mest utfordrande å tilfredsstilla i produksjonen og er ikkje så mykje nytta.

Uavhengig linearitet

Uavhengig linearitet er avviket frå den ideelle referanselinja, men når ho vert plassert over utgangskarakteristikken vert stigningskoeffisienten $m$ og den vertikale startposisjonen $b$ tilpassa slik at positive og negative avvik frå referanselinja vert så små som mogeleg (linear linjetilpassing). Referanselinja vart då definert som

${\frac {E_{ut}}{E_{inn}}}=m\left({\frac {\theta _{w}}{\theta _{A}}}\right),$

der $\theta _{A}$ er den elektriske distansen som resulterer i ${\frac {E_{ut}}{E_{inn}}}=1$, som ikkje alltid er den same som den teoretiske distansen $\theta _{T}$, $m$ er den uspesifiserte stigningskoeffisienten og $b$ er eit uspesifisert vertkalt startpunkt ved $\theta _{w}=0$. Det er lettare å garantera uavhengig enn absolutt linearitet under produksjonenen, så mange produsentar oppgjev uavhengig i staden for absolutt linearitet. Når det berre står linearitet i databladet kan ein som oftast gå ut frå at det er uavhengig linearitet.

Med unnatak av trådvikla potmeter er ikkje endane til det resistive elementet godt definerte, på det viset at dei kan ha abrupte endringar eller kraftig ulinearitet i resistiviten. Etter som potmeter i praksis skjeldan vert nytta heilt i endeposisjonane er ikkje dette eit problem, men det gjer det litt vanskelegare å måla lineariteten. Det er difor vanleg å ekskludera ein liten bit (rundt 1 %) på kvar ende under målingane.

Null-basert linearitet

Dette er eit speialtilfelle av uavhengig linearitet, der det nedre endepunktet er plassert ved 0 i staden for å starta ved $b$ som i fig. 4.

Endepunktbasert linearitet

Dette er ein metode som av og til vert nytta for trådvikla potmeter, og som er svært lik absolutt linearitet. Skilnaden er at i samband med absolutt lineartet går referanselinja gjennom eit teoretisk indekspunkt, medan ho i samband med endepunktsbasert linearitet går frå null til punktet ($\theta _{A}$, 1), der $\theta _{A}$ er vinkelen til akslingen når ${\frac {E_{o}}{E_{inn}}}=1$.

Støy

Fleire typar støy kan oppstå i eit potmeter:

• Termisk støy (Johnson-Nyquist-støy) er som i ein fast motstand, og har flatt effektspektrum og gaussisk amplitudefordeling.
• Triboelektrisitet støy ei elektromotorisk spenning som vert generert på grunn av friksjon når glidekontanten vert flytta.
• Endring av kontaktmotstanden kan generera støy når kontakten vert broten i stutte tidsinterval, eller på grunn av oksidasjon eller forureiningar av motstandsbanen. Oksidasjon av banen kan oppstå om det går for stor straum gjennom glidekontakten. Oksidasjonen vert påverka av fleire faktorar, som temperatur, fuktigheit og materialane i motstandsbanen.

Oppløysing

Oppløysing er den minste endreinga i motstandverdi som kan gjerast. For trådvikla potmetere er oppløysinga bestemt av totalmotstanden dividert på antal omdreiningar til tråden. For andre materialar kan oppløysinga vera relatert til ujamnheiter i motstandsbanen, men ofte er ho bestemt av at den statiske friksjonen (stiksjon) til glidekontakten og motstandsbanen er større enn den dynamiske friksjonen, slik at når krafta på kontakten overstig den statiske friksjonen flyttar kontakten seg ein liten bit før den dynamiske friksjonen tek over.

Repeterbarheit

Fig. 5 Potmeter hysterese.

I mange samanhengar er det viktig at potmeter har ein stor grad av repeterbarheit, slik at ein gitt vinkel fører til same motstandaverdi. Spesielt innan måleteknikk og reguleringsteknikk er dette viktig. Fig. 5 illustrerer hysterese, som gjer at same vinkel på akslingen fører til litt ulik motstandsverdiar avhengig av dreieretning. I likeheit med oppløysinga er differansen mellom statisk og dynamisk friksjon ein grunn til hysterese.

Justeringsnøyaktigheit

Dette er eit mål på kor nøyaktig eit potmter kan stillast inn. Det vert målt ved at ein stiller inn potmeteret så nøyaktig som mogleg på halvparten av totalverdien $R_{T}$ av den resistive banen og måler den resulterande verdien $R'$. Ein finn så justeringsnøyaktigheita i % som

$A=\left({\frac {R'-0,5R_{T}}{R_{T}}}\right)100.$

Temperaturkoeffisient

Dette er eit mål på kor mykje motstanden endrar seg når temperaturen varierer. Han vert som oftast oppgjeven i ppm og er definert som

${\mbox{TC}}=\left({\frac {R_{T1}-R_{T2}}{R_{T1}(R_{T2}-R_{T1})}}\right)10^{6},$

der $T_{1}$ og $T_{2}$ er to ulike omgjevelsestemperaturar, som må ha ein skilnad på minst 25 °C. Temperaturkoeffisienten kan vera positiv eller negativ.

Effekt

Dei fleste potmetera vert nytta for småsignal og treng ikkje å absorbera så stor effekt. Men maks absorbert effekt er ofte oppgjev i datablada. Som for andre komponentar lyt ein ta omsyn til kva temperatur potmeteret skal nyttast ved.

Levetid

Potmeter, med unnatak av cermet, er konstruerte for å tilfredsstilla Mil-94-standarden, som er krev ei levetid på minst 25 000 omdreiingar, men mange har mykje lengre levetid. Nokre har i testar vist seg å tola 1 til 5 millionar rotasjonar.

Samanlikningar

Tabell 1 gjev eit oversyn over nokre av dei viktigaste parametrane for ulike potmetertypar, henta frå mellom anna , plus ymse datablad. Merk at dette er typiske verdiar og at potmeter frå nokre produsentar kan avvika frå desse verdiane. Så det er absolutt naudsynt å studera datablada nøye før ein bestemmer seg for kva potmeter som høver best for ein bestemt bruk.

Tabell 1: Samanlikning av nokre parametre (typiske verdiar).

Karakteristikk	Metalltråd	Karbonkomp	Karbonfilm	Metallfilm	Leiande plast	Cermet
Motstandsområde	1 $\Omega$ - 200 k$\Omega$	50 $\Omega$ - 100 M$\Omega$	100 $\Omega$ - 1 M$\Omega$	10 $\Omega$ - 500 k$\Omega$	50 $\Omega$ - 5 M$\Omega$	10 $\Omega$ - 5 M$\Omega$
Toleranse	5 %	10 - 20 %			10 - 20 %	5 - 10%
Temp. koeffisient	±20 - ±650 ppm/°C	±10.000 ppm/°C			±200 - ±1000 ppm/°C	±50 - ±150 ppm/°C
Oppløysing	0,1 - 1,0 %				0,05 %
Linearitet	±0,1 - ±1 %	±3 %			±0,03 - ±2 %	±5 %
Dynamisk støy	høg	moderat			låg	moderat
Frekvensområde	5 - 20 kHz <	< 100 MHz			< 100 MHz	< 100 MHz

Overføringskarakteristikkar

Fig. 6 Karakteristikken til eit exponensielt potmeter, framstillt i dB.

Dei fleste potmeter har ein linear karakteristikk, men det vert òg produserte potmeter med ulineære karakteristikkar, som eksponensial, logaritmiske og anti-logaritmiske karakteristikkar. Karakteristikken vist i fig. 6 vert ofte kalla logaritmisk, men $E_{ut}/E_{inn}$ er ein potensfunksjon av forma $a^{\theta }$. Denne karakteristikken vert mellom anna nytta som volumkontroll i audioforsterkarar og miksepultar. Grunnen til at karakteristikken vert kalla logaritmsik, sjølv om han ikkje er det, er at den subjektive oppfattinga av lydtrykk er tilnærma logaritmisk. Så når volumkontrollen fylgjer karakteristikken i fig. 6 vil endringa i lydtrykk verta oppfatta som proportional med endringa av vinkelen $\theta$.

To-kanals volumkontrollar nyttat tandempotmeter (to potmeter på same aksel), så det er viktig at dei sporar godt. Billige karbonbaserte volumkontrollar sporar ikkje alltid så bra, så ein bør helst nytta konduktiv plast. Men mange forsterkarar nyttar i dag attenuatorar med digital kontroll i staden for potmeter. Produksjonen av sokalla logaritmiske potmeter har difor gått ned og nokre typar kan vera vanskeleg å finna i små kvantitetar.

Potmeter er merkte for å syna kva slaga karakteristikk dei har: linear, logaritmisk eller anti-logaritmisk. Kodane varierer etter i kva verdsdel dei er produserte, og nokre produsentar har òg eigne kodar. Tabell 2 syner dei mest vanlege kodane, henta frå. Sokalla logaritmiske potmetere vert ofte kalla audio. Tidlegare vart bredda på dei resistive banane gradvis endra lengs lengda for å oppnå ulineære karakteristikkar. Men marknaden for desse karakteristikkane er ikkje så stor, så produsentane har teke til å «fuska», på det viset at dei set saman dei resistive banane frå nokre bitar med lineære karakteristikkar, men med ulike resistivitet, som illustrert med den raude kurva i fig. 6. Dette fører til at mange potmeter merka log eller audio berre tilnærmingsvis fylgjer den oppgjevne karakteristikken. I nokre samanhengar kan det difor vera like bra å nytta lineare potmeter, modifiserte med eksterne motstandar.

Tabell 2: Kodar som syner karakteristikken.

Taper	String	Europe	Asia	Amerika	Vishay
Linear	LIN	A	B	B	A
Audio	LOG	C	A	A	L
Anti-log	-	F	-	C	F

Innkapsling

Innkapslinga, eller huset, kan ha mange ulike utformingar. Billige potmeter har ofte innkapsla i eit hus av pressa stål, som ikkje alltid er tette nok til å halda støv ute. Presisjonspotmetere ofte er forsegla i eit hus av plast, som er tilnærma støvtette. Akslingen er ligg som oftast i eit metallrøyr utstyrt med gjengar for at det kan festast i eit chassis eller ein brakett. Nokre potmeter har terminalar som kan monterast direkte i kretskort (holmoontering), Dette gir enklare montering og reduserte produksjonskostnadar, men det med det fører til at terminalane og kretskortet vert utsett for mekanisk påkjenning, som kan redusera levetida. For å redusera dette problemet har mange potmeter gjena røyr, slik at huset kan festast i ein brakett som vist i fig. 10.

• 
  Fig. 7 Innkapsla 10-turn prseisjonspotmeter for panelmontasje.
• 
  Fig. 8 Dreiepotentiometer for panelmontasje.
• 
  Fig. 9 Oppbygging av eit dreiepotmeter.
• 
  Fig. 10 Tandempotmeter, med terminalane montert direkte i eit kretskort, men med separat montering av huset i ein stålbrakett.

Skyvepotmeter

Fig. 11 Oppbygging av eit rimeleg skyvepotmeter.

Fig. 12 Skuvepotmetere på ein miksepult.

Skyvepotmeter er utforma som ei lang stripe og glidekontakten vert skuva att of fram med ein knopp på toppen. Dei vert typisk nytta for å endra volumet på ulike kanalane i analoge miksepultar. Dei er òg vanlege i og analoge equalizerar. Karakteristikken er difor av audio-typen. Skyvepotmeter av høg kvalitet nyttar resistive banar av leiande plast, og vert nytta i profesjonelt utstyr, der lang levetid og at dei er behagelege å bruka er viktig. Skyvepotmeter med karbonbaserte banar er billigare og vert nytta i rimeleg forbrukarutstyr. Men dei er ikkje like gode å arbeida med som leiande plast. I utstyr som ikkje er i dagleg bruk er lang levetid heller ikkje like viktig som i profesjonelt utstyr.

Trimmepotmeter

Fig. 13 Ei samling med trimmepotmeter.

Trimmepotmeter er små potmetee som vert plasserte på krinskort og justerte ein eller nokre få gongar med eit lite skruvjarn. Denne operasjonen vert typisk utført i samband med sluttesting og nokre gongar vert potmetera forsegla med ei form for lakk, både for å syna at dei er ferdigjusterte og for å forhindra at kundar eller andre fiklar med innstillingane. Eit typisk døme er tomgangsstraumen til effektforsterkarar.

Dei resistive banane er som oftast enten karbonkompositt eller cermet. Konstruksjonen kan vera open eller lukka. Lukka trimpotmetere har vanlegvis cermet motstandsbane og vert nytta i industriprodukt der lang levetid og feilfri funksjon er viktig. Opne trimpotmeter kan ha cermet eller karbonkompositt som motstand. Dei er billigare og vert nytta i forbrukarutstyr.

Nokre trimmepotmeter dekkjer heile motstandsområdet ved ein enkelt omdreining (ca. 240°), medan andre må skruvast fleire (ofte 10) omdreiingar for å dekkja heile motstandsområdet. Poenget med dette er at verdien forandrar seg sakte og det er enklare å justera potmeteret nøyaktig.

Trimmepotmetere kan ha metalltrådar som terminalar og vera holmonterte, eller dei kan vera overflatemonterte.

• 
  Fig. 14 Lukka presisjons-trimpotmetere.
• 
  Fig. 15 Lukka presisjons-trimpotmetere som er forsegla med lakk etter trimming.
• 
  Fig. 16 Lukka 10-turns presisjonstrimpotmeter.
• 
  Fig. 17 Open konstruksjon av eit billigtrimpotmeter.

Motoriserte potmeter

Fig. 18 Motorisert potmeter.

Det vert òg produsert potmeter med ein liten elektrisk motor som dreiar akslingen. Desse vert av og til kalla servopotmeter. Etter som brukaren ikkje treng direkte tilgang til dei kan dei monterast omtrent kvar som helst. Det finst òg servopotmeter som kan opererast manuelt eller med motor. Eit typisk bruksområde er i miksepultar, der dei vert nytta for å setta dei mange skyvepotmetera til lagra posisjonar, slik at lydteknikarane slepp å bruka tid på å justera miksaren kvar gong dei grukar han. Når ein, eller fleire, lydteknikarar arbeider med fleire opptak er det svært nyttig å lasta inn same posisjonar som sist dei arbeidde med opptaket. Men bruken av servopotmeter har gått kraftig attende på grunn av at det ofte er enklare å nytta ein digitalt styrt attenuator.

Reostatar

Fig. 18 Trådvikla effektpotmeter.

Ein reostat er eit potmeter det terminalen til glidekontakten er kopla saman med ein av dei andre terminalane, slik at ein får ein variable motstand. Tidlegare vart trådvikla potmeter dimensjonerte for stor effekt ofte kopla som reostatar. Dei er ofte bygd opp av motstandstråd vikla på ein varmebestandig sylinder. Glidekontakten er utforma som metallfingrar som har direkte kontakt med viklingane, som vist i fig. 18. På grunn av effekttapet er dei knapt nok i bruk i dag. Men i samband med undervisning vert det framleis i nokon grad nytta effektreostatar.

Sjå òg

• Attenuator
• Volumkontroll
• Balansekontroll