Ein kompletter Leitfaden für Potentiometer (2024)

Potentiometer, oft auch als „Potis“ bezeichnet, sind grundlegende Komponenten in der Elektrotechnik. Diese vielseitigen Komponenten spielen eine zentrale Rolle bei der Steuerung und Messung elektrischer Signale und bilden eine dynamische Schnittstelle zwischen Schaltkreisen und der physikalischen Welt, mit der sie interagieren. Von Audiosystemen bis hin zur Robotik finden Potentiometer ihren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, was sie zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel in der Praxis macht.

In diesem Artikel werden wir uns näher mit Potentiometern befassen, beginnend mit ihren grundlegenden Prinzipien, ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise. Anschließend werden die verschiedenen Arten von Potentiometern, die Unterschiede zwischen Potentiometern, Rheostaten und Drehgebern sowie die wichtigsten Konstruktionsüberlegungen und Spezifikationen erörtert.

Grundlagen des Potentiometers

Potentiometer sind widerstandsbasierte Bauteile mit einem mechanischen Einstellmechanismus, der eine manuelle Änderung des Widerstands ermöglicht. Im Gegensatz zu Festwiderständen, die einen konstanten Widerstandswert haben, wirken Potentiometer wie variable Widerstände.

Diese Komponenten arbeiten als Spannungsteiler und dienen einem doppelten Zweck, nämlich der Einstellung der Ausgangsspannung in einem Schaltkreis und der genauen Messung des elektrischen Potenzials, daher ihre Bezeichnung als Potentiometer. Durch Verstellen der Position des Schleifers entlang des Widerstandselements, kann über ein Potentiometer das Spannungsausgangssignal stufenlos verändert werden. Es ist wichtig zu wissen, dass Potentiometer passive Bauteile sind, d.h. sie benötigen keine Stromversorgung oder zusätzliche Schaltungen, um zu funktionieren.

Abbildung 1: Typisches Innenleben eines Drehpotentiometers. (Bildquelle: CUI Devices)

Der Widerstand eines Objekts hängt von verschiedenen Faktoren ab, und ein wichtiger Faktor ist seine Länge. Wenn alle anderen Parameter konstant bleiben, ist der Widerstand eines Objekts direkt proportional zu seiner Länge. Das bedeutet, dass ein Objekt bei einer Länge von 20 Zentimetern einen halb so großen Widerstand aufweist wie ein Objekt aus dem gleichen Material und mit der gleichen Querschnittsfläche mit einer Länge von 40 Zentimetern. Potentiometer machen sich dieses Prinzip zunutze, um eine einstellbare Ausgabe zu erzielen.

Der einstellbare Ausgang eines Potentiometers wird durch die Veränderung der linearen oder drehbaren Position eines Schleifkontakts entlang eines gleichförmigen Widerstandselements erreicht, wodurch der Pfad, durch den der Strom fließt, verändert wird. Die Eingangsspannung wird über die gesamte Länge des Widerstandselements angelegt, während die Ausgangsspannung als Potenzialabfall zwischen dem festen Widerstandselement und dem Gleit- oder Drehkontakt ermittelt wird. Die Position des beweglichen Kontakts entlang des Widerstandselements bestimmt das Ausmaß, in dem die Eingangsspannung an den Stromkreis angelegt wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass Potentiometer in der Regel nicht zur direkten Steuerung von Leistungen eingesetzt werden, die ein Watt überschreiten. Diese Einschränkung ergibt sich aus der Tatsache, dass das Bauteil selbst die Eingangsleistung abführen muss, was zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung führt. Stattdessen werden Potentiometer verwendet, um analoge Signale einzustellen, die von anderen Komponenten verwendet werden, um die Leistung zu regulieren. Zur Veranschaulichung: Ein einfacher Lichtdimmer verwendet ein Potentiometer zur Steuerung eines TRIAC (Triode für Wechselstrom), der wiederum die Helligkeit des Lichts variiert.

Typen von Potentiometern

Potentiometer gibt es in zwei Hauptformen: Analog und Digital. In diesem Artikel geht es in erster Linie um analoge Potentiometer, die auf mechanischen Elementen zur Manipulation und Steuerung des Ausgangs beruhen. Analoge Potentiometer werden weiter in lineare und rotierende Formate unterteilt.

Drehpotentiometer nutzen eine Winkelbewegung, die durch einen Drehknopf und eine Welle ermöglicht wird, die mit einem Schleifelement verbunden sind. Dieses Schleifelement gleitet entlang des Widerstandselements und ermöglicht so Änderungen des Widerstands und damit eine Einstellung des Ausgangs. Durch Drehen der Welle können der Widerstand und die Leistung entsprechend variiert werden. Darüber hinaus gibt es wellenlose Potentiometer, bei denen der Schleifer mit einem externen Werkzeug, z. B. einem Schraubendreher, bewegt wird, so dass keine physische Welle mehr erforderlich ist. Diese werden gemeinhin als Trimmpotentiometer oder Trimmer bezeichnet.

Bei linearen Potentiometern hingegen wird der Kontakt mit dem Widerstandselement durch eine lineare oder geradlinige Bewegung über einen Gleitmechanismus hergestellt. Diese lineare Bewegung ermöglicht die Veränderung des Widerstands und die anschließende Justierung der Leistung.

Abbildung 2: Vergleich von Linear- und Drehpotentiometern. (Bildquelle: CUI Devices)

Im Gegensatz zu analogen Potentiometern basieren digitale oder elektronische Potentiometer auf digitalen Signalen zur Steuerung des Ausgangs, so dass keine mechanische Bewegung mehr erforderlich ist.

Potentiometer vs. Rheostate und Drehgeber

Der Hauptunterschied zwischen einem Potentiometer und einem Rheostat liegt im Wesentlichen in den vorgesehenen Anwendungen und Anschlusskonfigurationen. Ein Potentiometer ist eine Komponente mit drei Anschlüssen, die hauptsächlich zur Spannungssteuerung verwendet wird, während ein Rheostat ein Beuteil mit zwei Anschlüssen ist, das zur Stromsteuerung dient. Es ist jedoch erwähnenswert, dass Potentiometer als Rheostate verwendet werden können, indem ein Anschluss nicht angeschlossen wird.

Im Gegensatz dazu sind Rheostate speziell für die Regulierung des Stromflusses in einem Stromkreis konzipiert. Sie verfügen in der Regel über zwei Anschlüsse und zeichnen sich durch eine hohe Wattzahl und eine drahtgewickelte Konstruktion aus. Rheostate werden in der Regel in Hochstromanwendungen eingesetzt, um den Stromfluss zu Geräten wie Lampen und Motoren zu steuern. Sie enthalten Spulen aus Hochleistungsdraht, die eine schrittweise Änderung des Widerstands ermöglichen, indem die Position des Schieberelements entlang des Widerstandselements eingestellt wird. Im Gegensatz zu Potentiometern werden Rheostate nach ihrer Strombelastbarkeit und nicht nach ihrem Widerstandswert spezifiziert.

Abbildung 3: Schaltungen für Potentiometer und Rheostat. (Bildquelle: CUI Devices)

Ein Drehgeber und ein Potentiometer erfassen zwar beide die Drehung einer Welle, aber sie arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien, sind unterschiedlich komplex und erfordern unterschiedliche Konfigurationen. Im Folgenden wird auf die Unterschiede zwischen diesen beiden Komponenten eingegangen:

1. Das Funktionsprinzip:
   • Potentiometer: Potentiometer sind in erster Linie analoge Bauelemente, obwohl es auch digitale Varianten gibt. Sie beruhen auf der Änderung des Widerstands bei der Drehung der Welle, um die Position zu ermitteln oder die Spannungspegel einzustellen.
   • Drehgeber: Drehgeber sind digitale Komponenten, die binäre Logik verwenden, um die Winkelposition oder Bewegung einer Welle zu kodieren und als digitales Signal zu übertragen. Sie verwenden in der Regel kapazitive, optische oder magnetische Sensortechniken.
2. Komplexität der Einrichtung:
   • Potentiometer: Potentiometer bieten im Allgemeinen einfachere Einstellungs- und Anschlussverfahren. Sie lassen sich leicht in Schaltungen integrieren, ohne dass eine komplexe Signalaufbereitung erforderlich ist.
   • Drehgeber: Da es sich bei Drehgebern um digitale Bauelemente handelt, sind zusätzliche Schaltungen erforderlich, wie z. B. Signalaufbereitung, Dekodierung und Schnittstellenkomponenten, um das digitale Ausgangssignal zu verarbeiten und zu interpretieren.
3. Eingangsbereich und Auflösung:
   • Potentiometer: Potentiometer ermöglichen aufgrund ihres analogen Charakters eine stufenlose Einstellung. Sie bieten einen gleichmäßigen und kontinuierlichen Wertebereich, der eine präzise Steuerung ermöglicht. Sie können die Spannung auch auf nichtlineare Weise teilen und bieten so maßgeschneiderte Antwortkurven.
   • Drehgeber: Drehgeber können sich kontinuierlich drehen und liefern ein Feedback mit hervorragender Auflösung. Sie bieten präzise Positions- oder Bewegungsinformationen in digitalem Format und ermöglichen so eine hochauflösende Steuerung und Rückmeldung. Sie sind besonders vorteilhaft bei Anwendungen, die eine präzise Motorsteuerung oder Positioniergenauigkeit erfordern.
4. Überlegungen zur Anwendung:
   • Potentiometer: Potentiometer werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine analoge Steuerung erfordern, z. B. zur Lautstärkeregelung in Audiosystemen oder zur Feinabstimmung bei Kalibrierungsprozessen.
   • Drehgeber: Drehgeber werden bevorzugt in Industrie-, Automatisierungs- und Roboteranwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise digitale Rückmeldung, eine hohe Auflösung und eine genaue Positionserfassung entscheidend sind. Sie eignen sich hervorragend für Motorsteuerungssysteme und Anwendungen, die präzise Winkelmessungen erfordern.

Potentiometerabgriff

Der Potentiometerabgriff bezieht sich darauf, wie sich der Widerstand ändert, wenn sich der Anker der Komponente dreht oder der Schleifer entlang des Widerstandselements gleitet. Es gibt zwei Haupttypen von Potentiometerabgriffen: lineare und logarithmische (auch bekannt als Audioabgriff).

Bei Potentiometern mit linearem Abgriff ist das Verhältnis zwischen Ankerstellung und Widerstand linear. Das bedeutet, dass in der Mittelstellung des Ankers oder Schiebers der variable Widerstand die Hälfte des vollen Widerstands des Potentiometers beträgt. Potentiometer mit linearem Abgriff bieten eine gleichmäßige Änderung des Widerstands über den gesamten Bewegungsbereich.

Potentiometer mit logarithmischem Abgriff bieten eine nichtlineare Reaktion, die die logarithmische Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs für Schall nachahmt. Dieser Abgriff wird häufig in Audiogeräten, wie z. B. Lautstärkereglern, verwendet, um eine ausgewogenere Wahrnehmung der Lautstärkeeinstellung zu erreichen. Bei einem logarithmischen Abgriff führen kleine Änderungen in den frühen Phasen der Rotation zu größeren Lautstärkeänderungen, während größere Änderungen in den späteren Phasen der Rotation zu kleineren Lautstärkeänderungen führen. Darüber hinaus gibt es auch umgekehrt logarithmische Potentiometer, die vor allem in Audioreglern verwendet werden, die gegen den Uhrzeigersinn arbeiten.

Andere wichtige Spezifikationen

Hier sind einige weitere wichtige Parameter, die bei der Auswahl eines Potentiometers zu berücksichtigen sind:

• Widerstand: stellt den Widerstand über die gesamte Länge des Widerstandselements dar, von einer Klemme zur anderen. Wenn zum Beispiel ein Potentiometer mit 2 kΩ (Kiloohm) angegeben ist, bedeutet dies, dass der Widerstand über seine Leiterbahn einem Festwiderstand mit einem Wert von 2 kΩ entspricht.
• Nennleistung: Die maximale Nennleistung gibt an, wie viel Leistung ein Potentiometer verkraften kann, um Überhitzung oder Ausfall zu vermeiden.
• Auflösung: bezieht sich auf die Genauigkeit des Potentiometers in Bezug auf seine inkrementellen Widerstandsänderungen. Er wird in der Regel als Prozentsatz des Gesamtwiderstands ausgedrückt und stellt die kleinste nachweisbare Widerstandsänderung pro inkrementeller Bewegung des Schleifers auf dem Widerstandselement dar.
• Gleitrauschen: das elektronische Rauschen, das bei der Bewegung der internen Kontaktteile des Potentiometers entsteht. Dieses Rauschen kann die Genauigkeit des gewünschten Signals beeinträchtigen oder unerwünschte Artefakte verursachen.
• Temperaturkoeffizient: gibt an, wie sich der Widerstand des Potentiometers bei Schwankungen der Betriebstemperatur ändern kann. Potentiometer mit niedrigeren Temperaturkoeffizienten bieten stabilere Widerstandswerte über einen großen Temperaturbereich und gewährleisten eine gleichbleibende Leistung unter verschiedenen thermischen Bedingungen.
• Mechanische Lebensdauer: die erwartete Lebensdauer des Potentiometers in Bezug auf die Anzahl der Zyklen, die es unter Beibehaltung seiner Leistungsspezifikationen aushalten kann.

Fazit

Potentiometer bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. ihren einfachen Aufbau, die Erschwinglichkeit, den großen Widerstandsbereich, die einfache Bedienung und die bewährte Technologie. Sie dienen als zuverlässige Komponenten zur Spannungssteuerung, Messung und präzisen Erfassung von Linear- oder Drehbewegungen in elektronischen und elektrischen Systemen. Es ist jedoch wichtig, ihre Einschränkungen zu berücksichtigen, wie z. B. die begrenzte Bandbreite, die Strombelastbarkeit, den mechanischen Verschleiß und die mögliche Erzeugung von elektrischem Rauschen.

Ihre weite Verbreitung verdanken sie jedoch ihrer Zuverlässigkeit und ihrer Fähigkeit, den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden. CUI Devices bietet eine umfassende Auswahl an Drehpotentiometern und Trimmpotentiometern, um den spezifischen Anforderungen verschiedener Projekte gerecht zu werden.