Alles über Potentiometer und deren Funktionsweise
Vom Trimmer-Poti bis zum Drehpotentiometer - hier finden Sie alle Infos, die Sie brauchen
Trotz zunehmender Digitalisierung werden Potentiometer immer noch häufig in Elektrogeräten verbaut, zum Beispiel als Lautstärkeregelung in Stereoanlagen. Wir führen Ihnen die Funktionsweise und Vorteile von Potentiometern auf und welche Unterschiede es zwischen den verschiedenen Bauformen gibt.
Was ist ein Potentiometer?
Ein Potentiometer ist ein passives Bauelement, das den elektrischen Widerstand, gemessen in Ohm (Ω), regelt. Dabei gibt es unterschiedliche Bauformen wie Trimmer oder natürlich die allseits bekannten Drehpoti. Das Funktionsprinzip bleibt jedoch immer das gleiche: Das Potentiometer greift eine Eingangsspannung auf und gibt verschieden grosse Mengen davon an einen Schaltkreis weiter. Diese Menge wird von der Position eines Schiebers, dem sogenannten Schleifer, auf einer ohmschen Komponente bestimmt. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Lautstärkeregelung an einem Radio oder einer Stereoanlage, in denen teilweise immer noch analoge Drehpotentiometer eingebaut sind.
Eingesetzt werden kann ein Potentiometer als Spannungsregler, wie oben beschrieben, als Komponente zur Einführung eines unterschiedlich hohen Widerstandes oder als Mittel zur Regelung der Leistung in einem Schaltkreis. In letzterem Falle handelt es sich um einen Regelwiderstand.
Eingesetzt werden kann ein Potentiometer als Spannungsregler, wie oben beschrieben, als Komponente zur Einführung eines unterschiedlich hohen Widerstandes oder als Mittel zur Regelung der Leistung in einem Schaltkreis. In letzterem Falle handelt es sich um einen Regelwiderstand.
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Aufbau und Funktionsweise eines Potentiometers
Ein Potentiometer besteht im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten: einem Widerstandsmaterial, dem bereits zuvor erwähnten Schleifer sowie mindestens drei Anschlüssen, davon zwei für den Widerstand und einen zum Abgreifen für den Schleifer. Im Inneren des Bauteils sind die beiden äussersten Anschlussklemmen mit der Komponente des Bauteils verknüpft, die als Widerstand dient. Dabei handelt es sich für gewöhnlich um einen Klotz aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material wie Kunststoff, Karbon, Graphit oder auch komplexeren Keramik-Materialien wie Cermet.Über die Anschlüsse stellt der Schleifer den Kontakt mit der ohmschen Komponente her. Wird der Schleifer entlang der ohmschen Komponente verschoben, ändert sich im Endeffekt die Spannung, die durch das Bauteil fliesst. Dies geschieht bei mechanischen Schleifernbeispielsweise durch einen Drehschalter, Schieber oder eine Schraube, wie es bei Trimmpotentiometern der Fall ist.
Die sogenannte geteilte Spannung wird an der dritten Anschlussklemme erzeugt. Liegt beispielsweise eine Spannung von 16 V an dem Bauteil an und das Potentiometer ist vollständig zu dem positiven Kontakt hin eingestellt, liefert der dritte Kontakt die gesamten Spannung. Ist das Potentiometer jedoch genau zwischen den positiven und negativen Leitungen eingestellt, weist die dritte Anschlussklemme nur die Hälfte des Spannungspotentials auf, also 8 V. Wird das Potentiometer hingegen bündig mit der negativen Anschlussklemme eingestellt, liegt das Potential im Ausgang bei null. Diese Merkmale gelten jedoch lediglich bei Potentiometern mit linearem Kegel und treffen somit nicht auf alle Bauformen zu.Bei den sogenannten Trimmern wird der Schieber in aller Regel mit Hilfe eines kleinen Schraubendrehers entsprechend verschoben. Sie dienen zum Abgleichen von elektronischen Schaltungen und verhindern ein unbeabsichtigtes Verstellen bei Betrieb des Geräts.
Gut zu wissen!
Potentiometer können mehr als nur den Widerstand zu regeln. So eignen sie sich zum Beispiel als Polaritätswandler. Bei einem solchen Wandler ist das Potentiometer mit zwei unterschiedlichen Gleichstromquellen verbunden. Dabei sind die positiv und negativ gepolten Leitungen auf der einen Seite des Potentiometers im Muster +/-, auf der anderen Seite im Muster -/+ angeschlossen. Der Nullpunkt befindet sich dann genau in der Mitte. Diese Funktion findet man beispielsweise bei Balancereglern von Stereoanlagen.
Wie funktioniert ein Digital-Potentiometer?
Ein digitales Potentiometer nutzt Feldeffekttransistoren (FETs) statt eines mechanischen Widerstandes zur Steuerung des Stromflusses. Anders als bei analogen Potis besteht der Widerstand aus mehreren einzelnen Schritten, die durch die Anzahl der Positionen der Transistoren bestimmt wird.
In vielen Bereichen übernehmen Digital-Potentiometer die Funktion ihrer analogen Pendants. Sie weisen für bestimmte Anwendungen gewisse Vorteile auf. So können diese Geräte mit Hilfe eines Digital-Inputs geregelt werden, anstatt einen Schieber von Hand zu verstellen. Manche Digital-Potentiometer sind flüchtig bzw. volatil; das bedeutet, dass sie zurück in eine bestimmte Position übergehen, sobald sie ausgeschaltet werden bzw. vom Stromnetz getrennt werden.
Bei Justiergeräten, die mitunter sehr präzise Widerstandswerte erfordern, erweisen sich Digital-Potentiometer als äusserst nützlich. Sie sind zudem unempfindlich gegenüber Stössen und Vibrationen. Bei mechanischen Potentiometern hingegen kann sich die Position des Schiebers ändern. Darüber hinaus haben Digital-Potentiometer den Vorteil, dass sie lediglich von Personen eingestellt werden können, die Zugriff auf das Equipment sowie die Programmierschnittstelle des Geräts haben.
In vielen Bereichen übernehmen Digital-Potentiometer die Funktion ihrer analogen Pendants. Sie weisen für bestimmte Anwendungen gewisse Vorteile auf. So können diese Geräte mit Hilfe eines Digital-Inputs geregelt werden, anstatt einen Schieber von Hand zu verstellen. Manche Digital-Potentiometer sind flüchtig bzw. volatil; das bedeutet, dass sie zurück in eine bestimmte Position übergehen, sobald sie ausgeschaltet werden bzw. vom Stromnetz getrennt werden.
Bei Justiergeräten, die mitunter sehr präzise Widerstandswerte erfordern, erweisen sich Digital-Potentiometer als äusserst nützlich. Sie sind zudem unempfindlich gegenüber Stössen und Vibrationen. Bei mechanischen Potentiometern hingegen kann sich die Position des Schiebers ändern. Darüber hinaus haben Digital-Potentiometer den Vorteil, dass sie lediglich von Personen eingestellt werden können, die Zugriff auf das Equipment sowie die Programmierschnittstelle des Geräts haben.
Anwendungsbeispiele
Neben Lautstärkeregelung in Audio-Equipment sind Potentiometer oftmals auch Bestandteil von vielen weiteren Geräten sowohl im industriellen als auch im Endverbraucherbereich, zum Beispiel als:- Motorpotentiometer: Eine typische Anwendungsmöglichkeit ist die Verwendung von mechanischen Drehgebern zur mühelosen Anpassung von Drehzahlen.
- Regelbare Widerstände: Diese dienen zur Regelung der elektrischen Eigenschaften vieler verschiedener Geräte, darunter Oszillatoren.
- Abgleichwiderstände: Bei einem sogenannten Trimmer oder „Trimmpoti“ kann der Widerstandswert nur mittels eines Werkzeugs, z.B. einem Schraubenzieher, nachjustiert werden, um unerwünschte Veränderungen zu vermeiden. Die Einstellung kann auch durch das Aufbringen eines Fixiermittels dauerhaft beibehalten werden.
Potentiometer richtig auswählen
Ebenso wie alle anderen elektronischen Geräte sind auch Potentiometer in speziellen Designs für bestimmte Anwendungen erhältlich, sowie in Ausführungen, die für den Einsatz unter sehr widrigen Bedingungen vorgesehen sind. So sind beispielsweise Modelle für Anwendungen im industriellen Bereich erhältlich, bei denen das Equipment, mit dem das Potentiometer verwendet wird, sehr heiss werden kann: Diese Modelle können Temperaturen von bis zu 150 °C trotzen und sind für bestimmte Umgebungen unerlässlich.Potentiometer können jedoch auch aufgrund ihrer Windungszahl ausgewählt werden. Einfache Lautstärkeregler benötigen womöglich lediglich ein Potentiometer mit einer einzigen Windung, während Gerätschaften, die sehr präzise zu justieren sind, Modelle mit 5, 10 oder gar 15 Windungen erfordern.
Ebenso zu berücksichtigen sind Montageart, Wellendurchmesser und Anschlussart, damit bestimmte Projekte durchgeführt werden können. Diese Eigenschaften haben keinerlei Einfluss auf die elektrischen Parameter des Geräts, müssen jedoch berücksichtigt werden um sicherzustellen, dass die Geräte mühelos erreicht bzw. – im Falle von Trimmern – erreicht und nachjustiert werden können, während zugleich Schäden an dem Equipment oder Gefahr für das Personal auszuschliessen sind.
Die Art des Einstellmechanismus des Potentiometers ist ebenfalls zu berücksichtigen. In manchen Anwendungen ist dieser Punkt lediglich eine Frage des Geschmacks. So kann ein Lautstärkeregler für Audio Equipment beispielsweise mühelos als Schieber oder in Form eines Drehknopfs realisiert werden. Bei manch anderen Anwendungen kann ein bestimmtes Design die Bedienbarkeit des Geräts jedoch stark verbessern. Eine Steuereinheit für die Drehzahl eines Motors wird zum Beispiel am besten in Form eines etwas grösseren Drehknopfes realisiert, der ein sehr präzises fühlbares Feedback bezüglich der Anzahl an Punkten liefert, um die der Knopf verstellt worden ist, und sich somit besser eignet als ein Schieber oder ähnliches.
Gut zu wissen!
Bestimmte Bauformen sind in der Lage, Spannung über einen besonders grossen Bereich hinweg zu regeln. In diesem Fall ist das ohmsche Element beispielsweise spiralförmig aufgebaut und erlaubt mehrere Umdrehungen oder Gänge. Ein 10-Gang-Poti lässt sich beispielsweise zehnmal drehen, ehe der Anschlag erreicht ist. Dies ermöglicht eine sehr präzise Justierung.
Linearpotentiometer und Potentiometer mit logarithmischem Verlauf
Potentiometer können über lineare oder logarithmische Kegel verfügen. Bei einem linearen Kegel ändert sich die Spannung stets in gleich bleibenden Schritten in Abhängigkeit von der Drehung der Steuereinheit. Bei einem logarithmischen Kegel ändert das Potentiometer das Potenzial hingegen in logarithmischen Schritten. Geräte dieser Art kommen insbesondere bei modernem Audio Equipment zum Einsatz, da sich die menschliche Auffassung von Lautstärke nicht in linearen Schritten verändert – das ist auch mit ein Grund, warum lineare Steuereinheiten die Lautstärke in gefühlt ungleichmässigen Schritten steigern.
Überdies verfügen manche Modelle über einen Schalter, mit dessen Hilfe das Gerät vollständig aus- bzw. eingeschaltet und zugleich geregelt werden kann.
Überdies verfügen manche Modelle über einen Schalter, mit dessen Hilfe das Gerät vollständig aus- bzw. eingeschaltet und zugleich geregelt werden kann.
Wann muss man Potentiometer austauschen?
Potentiometer haben eine sehr hohe Betriebsdauer, müssen jedoch angesichts von Verschleisserscheinungen trotzdem manchmal ausgetauscht werden. Dabei sind sie in genügend standardisierten Grössen erhältlich, sodass ihr Austausch in der Regel kein Problem darstellen sollte – wenngleich bestimmte Punkte nach wie vor zu beachten sind.Das Ersatz-Potentiometer sollte sein ursprüngliches Pendant so gut wie nur möglich nachbilden können. In manchen Fällen muss das Potentiometer selbst nicht ausgetauscht werden, doch der Drehknopf kann Schwierigkeiten bereiten, der Schieber nicht mehr geschmeidig laufen oder eine Montagemutter ist abhandengekommen. Diese Komponenten können in aller Regel kostengünstig ausgetauscht werden, ohne das gesamte Gerät ersetzen zu müssen.
Hat das Potentiometer mit hoher Leistung zu kämpfen, kann Überhitzung zu einem Problem werden. Deshalb ist es ausgesprochen wichtig, bei der Auswahl des Geräts auf die entsprechenden Wärmetoleranzen zu achten. Hierfür sind Spannungsabfall und Stromstärke sehr präzise zu berechnen. Wird ein Regelwiderstand verwendet, nimmt die Stromstärke bei sinkendem Widerstand zu – diese Eigenschaft ist ebenfalls zu berücksichtigen. Mit Hilfe von Stromstärke und Spannungsabfall kann die Leistung berechnet werden, die von dem Gerät abgegeben wird.
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