המדריך השלם של פוטנציומטרים

פוטנציומטרים, שלעתים קרובות נקראים "pots", הם רכיבים בסיסיים בתחום הנדסת החשמל. התקנים רב-תכליתיים אלה משחקים תפקיד מרכזי בבקרת ומדידת אותות חשמליים, מספקים ממשק דינמי בין מעגלים והעולם הפיזי איתו הם באינטראקציה. ממערכות אודיו ועד רובוטיקה, פוטנציומטרים מוצאים את יעודם במספר רב של יישומים, דבר ההופך אותם לנכס חיוני בתחום.

מאמר זה ימשיך לחקור פוטנציומטרים, החל מהעקרונות הבסיסיים שלהם, מבנה ואופן פעולה פנימי. אחר כך המאמר ידון בסוגי הפוטנציומטרים השונים הקיימים, ההבדלים בין פוטנציומטרים, ראוסטטים ואנקודרים, ושיקולי תכנון עיקריים ומפרטים.

יסודות הפוטנציומטר

פוטנציומטרים משמשים כרכיבים מבוססי נגד עם מנגנון כוונון מכני המאפשר שינוי ידני של התנגדותם. להבדיל מנגדים קבועים השומרים על ערך התנגדות‏ קבוע, פוטנציומטרים פועלים כנגדים משתנים.

התקנים אלה פועלים כמחלקי מתח, משרתים שתי מטרות של כוונון יציאת מתח במעגל ומדידה מדויקת של פוטנציאל חשמלי, ומכאן שמו - ‏פוטנציומטר. על ידי כוונון מיקום הזחלן לאורך האלמנט ההתנגדותי, פוטנציומטרים מפיקים אות יציאת מתח הניתן לשינוי רציף. חשוב לשים לב שפוטנציומטרים הם רכיבים פסיביים, כלומר הם אינם צריכים‏ ספק-כוח או מעגלים נוספים כדי לעבוד.

איור 1‏: אופן פעולה פנימי אופייני של‏ פוטנציומטר סיבובי. (מקור תמונה: Same Sky)

ההתנגדות של אובייקט תלויה בגורמים שונים, וגורם מפתח אחד הוא אורכו. כשכל הפרמטרים האחרים נישארים קבועים, ההתנגדות של‏ אובייקט היא ביחס ישר לאורכו. זה אומר‏ שאובייקט העשוי מאותו החומר ובעל שטח חתך אחיד, אך באורך ‏20‏ סנטימטר, יפגין חצי התנגדות של אובייקט שאורכו 40 סנטימטר. פוטנציומטרים ממנפים עיקרון זה כדי להשיג יציאה מתכווננת.

היציאה המתכווננת של‏ פוטנציומטר מושגת על ידי שינוי המיקום הלינארי או הסיבובי של מגע‏ זחלן לאורך אלמנט התנגדות אחיד, בכך משנה את המסלול דרכו זורם הזרם. מתח הכניסה מיושם לאורך כל אורך אלמנט ההתנגדות, בעוד מתח היציאה מושג כמפל הפוטנציאל בין האלמנט ההתנגדותי הקבוע והמגע הזוחל או המסתובב. המיקום של המגע הנע לאורך האלמנט ההתנגדותי קובע את המידה שבה מתח הכניסה מוחל על המעגל.

חשוב לציין שפוטנציומטרים בדרך כלל אינם משמשים לבקרה ישירה של הספק העולה על ואט. מגבלה זו עולה מהעובדה שההתקן עצמו צריך לפזר את הספק הכניסה, דבר המוביל ליצירת חום רב מדי. במקום זה, פוטנציומטרים משמשים לכוונון אותות אנלוגיים הנמצאים בשימוש רכיבים אחרים כדי לווסת הספק. כהמחשה, עמעם‏ אור בסיסי משתמש בפוטנציומטר כדי לבקר‏ TRIAC‏ (טריודה עבור זרם-חילופין), שבתורה משנה את הבהירות של האור.

סוגי פוטנציומטרים

פוטנציומטרים קיימים בשתי צורות עיקריות: אנלוגית ודיגיטלית. מיקוד עיקרי של מאמר זה הוא על פוטנציומטרים אנלוגיים המסתמכים על אלמנטים מכניים עבור מניפולציה ובקרה של היציאה. פוטנציומטרים אנלוגיים מסווגים בנוסף כבעלי פורמט ליניארי או סיבובי.

פוטנציומטרים סיבוביים משתמשים בתנועה זוויתית המסתייעת בכפתור מסתובב וגל המתחבר לאלמנט זחלן. אלמנט זחלן זה מחליק על האלמנט ההתנגדותי, מאפשר שינויים בהתנגדות ובעקבות כך כוונון היציאה. על ידי סיבוב הגל, ההתנגדות והיציאה ניתנות לשינוי בהתאמה. נוסף לכך, ישנם פוטנציומטרים ללא גל, בהם הזחלן מוזז בעזרת כלי חיצוני כמו מברג, דבר המונע את הצורך בגל פיזי. אלה בדרך כלל נקראים פוטנציומטרים טרימר או טרימרים.

מצד שני, פוטנציומטרים לינאריים משתמשים בתנועה ליניארית או בקו-ישר באמצעות מנגנון זוחל כדי ליצור מגע עם האלמנט ההתנגדותי. תנועה לינארית זו מאפשרת את שינוי ההתנגדות ובעקבות כך כוונון היציאה.

איור 2‏: השוואת פוטנציומטרים לינאריים וסיבוביים. (מקור תמונה: Same Sky)

בניגוד לפוטנציומטרים אנלוגיים, פוטנציומטרים דיגיטליים או אלקטרוניים מסתמכים על אותות דיגיטליים עבור בקרת היציאה, מונעים את הצורך בתנועה מכנית.

פוטנציומטרים לעומת ראוסטטים ואנקודרים

בעיקרו של דבר, ההבדל העיקרי בין פוטנציומטר וראוסטט טמון ביישומים המיועדים שלהם ותצורות הדקים. פוטנציומטר הוא התקן‏ שלושה-הדקים המשמש בעיקר עבור בקרת מתח, בעוד‏ שראוסטט הוא התקן שני-הדקים‏ המתוכנן עבור בקרת זרם. עם זאת, ראוי לשים לב שפוטנציומטרים יכולים לשמש כראוסטטים על ידי השארת הדק אחד לא מחובר.

לעומת זאת, ראוסטטים הם מתוכננים במיוחד לווסת את זרימת הזרם במעגל. הם כוללים בדרך כלל שני הדקים ומאופיינים על ידי הספק גבוה ומבנה חוט-מלופף. ראוסטטים משמשים לרוב ביישומי זרם גבוה לבקרת זרימת זרם להתקנים כמו מנורות ומנועים. הם כוללים סלילים של תיל heavy-duty המאפשרים שינויים אינקרמנטליים בהתנגדות על ידי כוונון מיקום אלמנט הזחלן לאורך האלמנט ההתנגדותי. בניגוד לפוטנציומטרים, ראוסטטים מאופיינים בהתאם ליכולת הטיפול בהספק שלהם להבדיל מהערך ההתנגדותי שלהם.

איור 3‏: שרטוטי מעגל פוטנציומטר וראוסטט. (מקור תמונה: Same Sky)

כשמדובר באנקודר‏ סיבובי‏ ופוטנציומטר, שניהם עשויים לחוש‏ את הסיבוב של‏ גל, אך הם פועלים על עקרונות שונים, הם בעלי רמות שונות של מורכבות ודורשים כינון שונה. להלן העמקה בהבדלים בין שני התקנים אלה:

1. עיקרון פעולה:
   • פוטנציומטרים: פוטנציומטרים הם בעיקר התקנים אנלוגיים‏, למרות שקיימות גרסאות דיגיטליות. הם מסתמכים על השינוי בהתנגדות עם סיבוב הגל לציון מיקום או לכוונן רמות מתח.
   • אנקודרים סיבוביים: אנקודרים סיבוביים הם התקנים דיגיטליים המשתמשים בלוגיקה בינארית כדי לקודד ולשדר את המיקום הזוויתי או התנועה הזוויתית של‏ גל כאות דיגיטלי. הם בדרך כלל משתמשים בטכניקות חישה קיבוליות, אופטיות או מגנטיות.
2. מורכבות כינון:
   • פוטנציומטרים: פוטנציומטרים באופן כללי מציעים כינון ותהליכי חיבור פשוטים יותר. הם ניתנים לשילוב בקלות במעגלים ללא הצורך באכשור אותות מורכב.
   • אנקודרים סיבוביים: אנקודרים סיבוביים, בהיותם התקנים דיגיטליים, דורשים מעגלים נוספים, כמו אכשור אותות, פענוח קוד ורכיבי ממשק, כדי לעבד ולפרש את אות היציאה הדיגיטלי.
3. תחום כניסה ורזולוציה:
   • פוטנציומטרים: פוטנציומטרים מאפשרים כניסה משתנה אינסופית הודות לאופיים האנלוגי. הם מספקים מגוון ערכים‏ חלקים ורציפים, תוך אפשור בקרה מדויקת. הם גם יכולים לחלק מתח באופן לא-לינארי‏, ובכך מציעים עקומות הענות מותאמות-במיוחד.
   • אנקודרים סיבוביים: אנקודרים סיבוביים יכולים להסתובב באופן שוטף, תוך אספקת משוב ברזולוציה מצוינת. הם מציעים מיקום מדויק או מידע על תנועה בפורמט דיגיטלי, דבר המאפשר בקרה ברזולוציה גבוהה ומשוב. יתרונם המיוחד הוא ביישומים הדורשים בקרת מנוע מדויקת או דיוק מיקום.
4. שיקולי יישום:
   • פוטנציומטרים: פוטנציומטרים משמשים לרוב ביישומים הדורשים בקרה אנלוגית, כמו כוונון עוצמת קול במערכות אודיו או כוונון-עדין בתהליכי כיול.
   • אנקודרים סיבוביים: אנקודרים סיבוביים מועדפים ביישומים תעשייתיים, אוטומציה ורובוטיקה, היכן שמשוב דיגיטלי מדויק, רזולוציה גבוהה וחישת מיקום מדויק הם קריטיים. הם מצטיינים במערכות בקרת מנוע ויישומים הדורשים מדידות זוויתיות מדויקות.

הקשר בין מיקום הזחלן להתנגדות (taper) של פוטנציומטר

Taper של פוטנציומטר מתיחס לאופן בו ההתנגדות משתנה עם סיבוב הזרוע המכנית של ההתקן או החלקת הזחלן לאורך האלמנט ההתנגדותי. ישנם שני סוגים עיקריים של taper: לינארי ולוגריתמי (ידוע גם כ-taper אודיו).

בפוטנציומטרים עם taper ליניארי‏, הקשר בין מיקום הזרוע המכנית והתנגדות הוא לינארי. זה אומר שכאשר הזרוע המכנית או הזחלן נמצא באמצע התחום, ההתנגדות המשתנה היא מחצית ההתנגדות המלאה של הפוטנציומטר. פוטנציומטרים בעלי taper לינארי מציעים שינוי אחיד בהתנגדות בכל תחום התנועה שלהם.

פוטנציומטרים בעלי taper לוגריתמי מספקים הענות לא ליניארית המחקה את הרגישות הלוגריתמית של אוזן האדם לקול. Taper זה משמש לרוב בציוד אודיו, כמו בקרות עוצמת קול, כדי להשיג תפיסה מאוזנת יותר של כוונון עוצמת קול. עם taper לוגריתמי, שינויים קטנים בשלבים הראשונים של סיבוב גורמים לשינוים משמעותיים יותר בעוצמת קול, בעוד שינויים גדולים יותר בשלבים המאוחרים יותר של סיבוב יוצרים התאמות עוצמת קול קטנות יותר. נוסף לכך, קיימים פוטנציומטרים לוגריתמיים הפוכים, המשמשים בעיקר כבקרי אודיו העובדים בכיוון מנוגד לשעון.

מפרטי מפתח אחרים

כאן נזכיר מספר פרמטרים חשובים אחרים שיש לשקול בבחירת פוטנציומטר:

• התנגדות: פרמטר המייצג את ההתנגדות על פני כל אורך האלמנט ההתנגדותי, מהדק אחד לשני. לדוגמה, אם‏ פוטנציומטר מדורג ‎2 kΩ‏ (קילו-אוהם), זה אומר שההתנגדות לאורך מסלולו השלם שקולה לנגד קבוע עם ערך של 2‎ kΩ‏.
• הספק נקוב: דרוג ההספק המקסימלי מציין את גודל ההספק בו הפוטנציומטר יכול לטפל מבלי לגרום לחימום-יתר או תקלה.
• רזולוציה: מתייחסת לדיוק של הפוטנציומטר במונחים של השינויים האינקרמנטליים שלו בהתנגדות. דיוק זה בדרך כלל מבוטא כאחוז מההתנגדות הכוללת ומייצג את השינוי הקטן ביותר בהתנגדות אותו ניתן לגלות במקרה של תנועה אינקרמנטלית של הזחלן על האלמנט ההתנגדותי.
• רעש החלקה: הרעש האלקטרוני המיוצר במהלך התנועה של חלקי המגע הפנימיים של הפוטנציומטר. רעש זה יכול להפריע לדיוק של האות הרצוי או לגרום לתוצאות לוואי בלתי-רצויות.
• מקדם טמפרטורה: מציין כיצד ההתנגדות של הפוטנציומטר עלולה להשתנות עם שינויים בטמפרטורת העבודה. פוטנציומטרים עם מקדמי טמפרטורה נמוכים יותר מציעים ערכי התנגדות יציבים יותר בתחום טמפרטורות רחב, דבר המבטיח ביצועים עקביים בתנאים תרמיים שונים.
• אורך חיים מכני: תוחלת החיים הצפויה של הפוטנציומטר במונחים של מספר המחזורים בו הוא יכול לעמוד תוך שמירה על מפרטי הביצועים.

סיכום

פוטנציומטרים מציעים‏ מגוון יתרונות, כולל התכן הפשוט שלהם, נשיגות, תחום התנגדות רחב, פעולה קלה וטכנולוגיה מוכחת. הם משרתים כהתקנים אמינים עבור בקרת מתח, מדידות וחישה מדויקת של תנועה לינארית או סיבובית במערכות אלקטרוניות וחשמליות. עם זאת, חשוב לקחת בחשבון את המגבלות שלהם, כמו רוחב-פס מוגבל, יכולת טיפול בזרם, בלאי מכני ויצור פוטנציאלי של רעש חשמלי.

עם זאת, השימוש הנרחב בהם נובע מאמינותם והיכולת לספק דרישות מגוונות. Same Sky מציעה‏ מבחר מקיף של פוטנציומטרים סיבוביים ו-פוטנציומטרים טרימר כדי לענות על הצרכים הספציפיים של פרויקטים שונים.