Potenziometer: Überblick

Ein Potenziometer greift eine Eingangsspannung auf und gibt verschieden große Mengen davon an einen Schaltkreis weiter. Diese Menge wird von der Position eines Schiebers auf einer ohmschen Komponente bestimmt. Potenziometer werden je nach Anwendung oftmals auch als Stell- und Regelwiderstände bezeichnet. Eingesetzt werden kann ein Potenziometer 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.

Eine andere Bezeichnung dieser Geräte lautet „Poti“, beziehungsweise Schieber-, Drehschalter-oder Trimmer-Poti. Diese Bezeichnungen beinhalten bereits das mechanische Element zur Einstellung des Widerstands, der Leistung oder der Spannung am Ausgang des Geräts – dabei wird ein Schieber-Poti über einen Schieber geregelt und ein Drehschalter-Poti über einen Drehschalter, während ein Trimmer-Poti nicht ohne Weiteres verstellbar sein soll, sondern vielmehr auf einen bestimmten Wert einzustellen ist, bei dem es die meiste Zeit verbleibt.

Der Aufbau im Inneren eines Potenziometers ist einfach, für die jeweilige Aufgabe jedoch sehr wirkungsvoll.

 

Das Innenleben eines Potenziometers

Ein Potenziometer verfügt über drei Drähte, die aus dem Bauteil herausragen, sowie über einen Einstellmechanismus, wie oben bereits erwähnt.

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 Material wie Kunststoff, Karbon, Graphit oder einem etwas komplexeren Keramik-Material namens Cermet. Dieser Teil des Potenziometers wird manchmal auch als „Track“ bezeichnet, doch das ist eher die Ausnahme.

Die dritte Anschlussklemme ist mit einer Komponente namens Schleifer verknüpft. Dieser Schleifer stellt den Kontakt mit der ohmschen Komponente her. Wird dann die Position des Drehschalters, des Schiebers oder der Schraube an einem Trimmer verändert, wird der Schleifer entlang der ohmschen Komponente verschoben, sodass sich im Endeffekt die Spannung ändert, die durch das Bauteil fließt.

Die sogenannte geteilte Spannung wird an der dritten Anschlussklemme erzeugt. Liegt eine Spannung von 16 V an dem Bauteil an und das Potenziometer ist vollständig zu dem positiven Kontakt hin eingestellt, liefert der dritte Kontakt die gesamten 16 V. Ist das Potenziometer jedoch auf 50 % zwischen den positiven und negativen Leitungen eingestellt, weist die dritte Anschlussklemme ein Potenzial von 8 V auf. Wird das Potenziometer hingegen bündig mit der negativen Anschlussklemme eingestellt, liegt das Potenzial im Ausgang bei 0 V. Diese Merkmale gelten jedoch lediglich bei Potenziometern mit linearem Kegel und treffen somit nicht auf alle Potenziometer zu.

Bei den sogenannten Trimmer-Potis ist die Einstellung des Potenziometers selbst in der Regel für den Zeitpunkt der Installation bzw. der erstmaligen Einstellung vorgesehen. Dabei wird der Schieber in aller Regel mit Hilfe eines kleinen Schraubendrehers entsprechend verschoben, sodass unbeabsichtigtes Verstellen bei Betrieb des Geräts verhindert werden soll.

Manche Potenziometer sind in der Lage, die Spannung über einen besonders großen Bereich hinweg zu regeln. Aus diesem Grund ist das ohmsche Element dieser Potenziometer in manchen Fällen spiralförmig aufgebaut. Geräte dieser Art werden insbesondere in Anwendungen eingesetzt, die eine sehr präzise Justierung erfordern.

Sie eignen sich jedoch auch für weitere Anwendungen, darunter Polaritätswandler und ähnliches. Bei einem solchen Wandler ist das Potenziometer mit zwei unterschiedlichen Gleichstromquellen verbunden. Dabei sind die positiv und negativ gepolten Leitungen auf der einen Seite des Potenziometers im Muster +/-, auf der anderen Seite im Muster -/+ angeschlossen. Wird das Potenziometer dann genau auf die Mitte eingestellt, liegt keinerlei Spannung an der dritten Anschlussklemme an.

 

Regelwiderstände

Der Begriff Regelwiderstand verschwindet zunehmend von der Bildfläche, ist jedoch noch immer geläufig genug, um berücksichtigt zu werden. Ein Regelwiderstand dient der Änderung der Leistungsausgabe und ist dabei einem Potenziometer so ähnlich, dass der Begriff Potenziometer auch für diese Geräte verwendet werden kann – und auch verwendet wird.

Regelwiderstände kommen oftmals in Anwendungen zum Einsatz, bei dem das Licht gedimmt oder die Drehzahl von Motoren geregelt wird. Dabei handelt es sich um Stellwiderstände mit zwei Anschlussklemmen, wobei insbesondere bei Anwendungen mit einer Systemleistung von weniger als 1 W auch oftmals herkömmliche Potenziometer mit drei Anschlussklemmen verwendet werden.

Regelwiderstände sind häufig in speziellen Designs für Anwendungen erhältlich, bei denen sie eine beachtliche Menge an Leistung zu regeln haben. In solchen Fällen können sie über einen mit Draht umwickelten Isolator in ihrem Kern verfügen. Wenn das Steuerelement betätigt wird, verändert sich die Position des Schiebers entlang der Drähte, sodass dieser mit unterschiedlichen Windungen in Kontakt gerät.

Daneben sind noch andere Designs erhältlich, darunter solche, bei denen der Schieber im Grunde aus vielen verschiedenen „Fingern“ besteht, die mit zahlreichen Kabelsträngen in Kontakt kommen. Diese Geräte werden für Anwendungen mit besonders hoher Leistung eingesetzt.

 

Digipots/Digital-Potenziometer

Digital-Potenziometer können anstelle herkömmlicher Analog-Potenziometer verwendet werden und 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. Dabei haben diese Geräte eins mit Computer-Speichern gemein: Flüchtigkeit. Manche Digital-Potenziometer sind flüchtig bzw. volatil; das bedeutet, dass sie zurück in eine bestimmte Position übergehen, sobald sie ausgeschaltet werden bzw. die Stromversorgung gekappt wird. In der Regel gehen sie dabei zur kleinstmöglichen Position über. Andere Digital-Potenziometer sind wiederum nicht flüchtig und gehen in den Zustand zurück, auf den sie vor dem Entfernen der Stromversorgung zuletzt eingestellt waren.

Geräte dieser Art kommen besonders oft bei Justiergeräten zum Einsatz, die mitunter sehr präzise Werte erfordern. Digital-Potenziometer sind zudem sehr unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen, die bei einem Analog-Potenziometer die Position des Schiebers verändern könnten.

Ein Analog-Potenziometer kann von jedermann eingestellt werden, der Zugang zu diesen Geräten hat. Digital-Potenziometer können hingegen gesichert werden, sodass sie lediglich von Personen eingestellt werden können, die Zugriff auf das Equipment und das Wissen zur Programmierung des Geräts haben.

 

Membran-Potenziometer

Membran-Potenziometer sind sehr präzise Komponenten, die in Touchscreen-Geräten und vielen weiteren Anwendungen zum Einsatz kommen. Ein solches Potenziometer verwendet eine Membran aus Materialien wie Kapton, FR4 und PET: Dabei regelt das Gerät, sobald die Membran von dem Schieber verformt wird. Im Idealfall hätte ein solches Gerät eine unendlich hohe Auflösung.

Trotz ihrer ausgereiften Funktionen sind Membran-Potenziometer im Grunde sehr simple Geräte mit ausgesprochen langer Betriebsdauer. Beispielsweise sorgen bei einer Touchscreen-Anwendung hauptsächlich eine leitfähige Schicht unterhalb der Glasabdeckung und eine ohmsche Schicht unterhalb der leitfähigen Schicht für die Funktion des Geräts. Sobald der Bediener den Bildschirm berührt, wird mit Hilfe der Spannung an der oberen Schicht und der Spannung an den Kanten die Information über die jeweilige Position erkannt. Diese Information wird dann von einem ADC weiter verarbeitet, damit das ursprüngliche Gerät die Daten verwendet kann.

Potenziometer dieser Art sind sehr simpel, müssen für ordnungsgemäße Funktion jedoch von Zeit und Zeit nachjustiert werden. Viele Touchscreen-Geräte werden in Form kapazitiver Geräte realisiert, bei denen der Bediener keinerlei Druck auf den Bildschirm ausüben muss und zudem keinerlei Nachjustierung erforderlich ist, um dauerhaft akkurate Informationen über die Position zu liefern.

 

Wofür werden Potenziometer verwendet?

Die wohl offensichtlichste Anwendung von Potenziometern liegt in der Lautstärkeregelung von Audio Equipment. Sie werden jedoch auf oftmals für Licht-Dimmerschalter verwendet, obwohl sie heutzutage insbesondere bei Lichtanlagen mit sehr hoher Leistung seltener zum Einsatz kommen als noch vor einigen Jahren.

Potenziometer dienen in der Regel zur Leistungsregelung im Bereich unter 1 W. Heutzutage werden hauptsächlich digitale Steuereinheiten in Anwendungen eingesetzt, die früher voll und ganz auf Potenziometer setzten. So waren beispielsweise bei Radiogeräten Drehknöpfe zur Regulierung der Lautstärke einst sehr weit verbreitet – bis diese im Laufe der 1990er Jahre allmählich von digitalen Druckknöpfen ersetzt wurden, die die Lautstärke um einen gewissen Betrag nach oben oder unten regelten. Digitale Steuereinheiten kommen auch in drehbarer Form zum Einsatz, sodass sie die Anwenderfreundlichkeit eines Drehknopfes mit der preiswerten und zuverlässigen Natur digitaler Komponenten verknüpfen.

So können diese Geräte bei Anwendungen mit Audio Equipment auch andere Aufgaben übernehmen, als lediglich die Lautstärke zu regeln. So übernehmen sie oftmals die Regelung der Frequenz, Lautstärke und Leistung, die zu unterschiedlichen Lautsprechern geschickt wird, sowie anderer für Audio-Geräte wichtiger Eigenschaften.

Potenziometer können ebenso zur Bewegungssteuerung eingesetzt werden. Diese Anwendung ist besonders bei der Arbeit mit Motoren sehr geläufig, da somit Eigenschaften wie Drehzahlen und ähnliches schnell und mühelos angepasst werden, indem die Leistung geändert wird, die zu dem jeweiligen Gerät geleitet wird.

In ihrer Rolle als Trimmer dienen Potenziometer zur Regelung der elektrischen Eigenschaften vieler verschiedener Geräte, darunter Oszillatoren und ähnliches. Dabei wird das Gerät bereits bei der Herstellung des jeweiligen Equipments auf den gewünschten Wert eingestellt. Im Nachhinein kann es bei Bedarf von einem Techniker nachjustiert werden – dies ist jedoch vielmehr die Ausnahme als die Regel. Ein Fixiermittel kann helfen, die Einstellung des Geräts auf den gewünschten Wert dauerhaft beizubehalten.

Potenziometer können darüber hinaus auch zur Messung von Spannungen eingesetzt werden. In diesen Anwendungen wird die Spannung, die gemessen werden soll, an dem Potenziometer angelegt, das auf einen bekannten Wert eingestellt ist. Der Widerstand wird dann soweit verändert, bis die Spannung einer herkömmlichen Batteriezelle entspricht. An diesem Punkt kann die unbekannte Spannung mit einfacher Algebra errechnet werden, da sowohl der Widerstand des Potenziometers als auch die standardmäßige Spannung einer Batteriezelle bekannt sind.

 

Potenziometer richtig auswählen

Ebenso wie alle anderen elektronischen Geräte sind auch Potenziometer 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 Potenziometer verwendet wird, sehr heiß werden kann: Diese Modelle können Temperaturen von bis zu 150 °C trotzen und sind für bestimmte Umgebungen unerlässlich.

Potenziometer können jedoch auch aufgrund ihrer Windungszahl ausgewählt werden. Einfache Lautstärkeregler benötigen womöglich lediglich ein Potenziometer 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 Potenziometers 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.

 

Sonstige Punkte

Potenziometer 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 Potenziometer 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.

Manche Potenziometer verfügen zudem über einen Schalter, mit dessen Hilfe das Gerät vollständig aus- bzw. eingeschaltet und zugleich geregelt werden kann.

 

Potenziometer austauschen

Potenziometer 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-Potenziometer sollte sein ursprüngliches Pendant so gut wie nur möglich nachbilden können. In manchen Fällen muss das Potenziometer 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 Potenziometer 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.

Quelle: /web/c/passive-bauelemente/stellwiderstande/potenziometer/