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Ratgeber
In der Elektronik gehören Potentiometer zu den wichtigsten diskreten Bauelementen. Es handelt sich dabei um manuell einstellbare elektrische Widerstände. In vielen Geräten dienen Potentiometer oder kurz Potis zur Einstellung des Ausgangspegels, zum Beispiel für die Lautstärke. In diesem Ratgeber erfahren Sie, welche Typen es gibt, wie sie funktionieren und in welchen Anwendungsbereichen sie typischerweise zu finden sind.
Grundsätzlich gehören Potis zu den elektrischen Widerständen, die in elektronischen Schaltungen unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Sie dienen unter anderem zur Reduzierung des Stromflusses, zur Anpassung von Signalpegeln, zum Teilen von Spannungen, zur Vorspannung aktiver Elemente und zum Abschluss von Übertragungsleitungen. Während Festwiderstände einen spezifischen und nicht veränderbaren Wert besitzen, lässt sich der Widerstand von Potentiometern manuell verändern. Variable Widerstände sind vielfältig verwendbar, zum Beispiel zur Einstellung von Schaltkreiselementen wie Lautstärkeregler oder Lampendimmer aber auch als Teil von Messeinrichtungen für Wärme, Licht, Feuchtigkeit, Kraft oder chemische Aktivität.
Das Potentiometer verfügt über drei Anschlüsse und einen stufenlos einstellbaren Anzapfpunkt, der durch die Drehung einer Welle, eines Knopfes oder einen linearen Schieberegler gesteuert wird. Abgeleitet ist der Begriff Potentiometer von seiner Funktion als einstellbarer Spannungsteiler, der ein variables Potenzial an dem mit dem Anzapfpunkt verbundenen Anschluss liefert.
Eine recht häufige Anwendung für das Poti ist die Lautstärkeregelung in einem Audiogerät. Das hier typische lineare Potentiometer für niedrige Leistungen besteht aus einem flachen Widerstandselement aus Kohlenstoff, Metallfilm oder leitfähigem Kunststoff mit einem federnden Schleifkontakt, der sich entlang der Oberfläche bewegt. Eine alternative Konstruktion besteht aus einem gewickelten Widerstandsdraht. Der Schleifkontakt gleitet hier axial entlang der Spule. Potis dieser Bauart besitzen allerdings eine geringere Auflösung, da sich der Widerstand bei der Bewegung des Schleifers in Schritten ändert, die dem Widerstand einer einzelnen Windung entsprechen.
Für besonders präzise Einstellungen wurden als regelbarer Widerstand Multiturn-Potentiometer entwickelt. Sie verfügen über eine drahtgewickelte Widerstandsbahn in Schraubenform. Der Schleifer bewegt sich beim Drehen des Knopfes entlang dieser Bahn und ist in ständigem Kontakt mit dem Widerstandsdraht. Potis dieses Typs bieten in der Regel zehn Umdrehungen der Welle, um den gesamten, in der Regel linearen Bereich, abzudecken.
Die wichtigsten Bauformen von Potentiometern sind das Drehpotentiometer, das Trimmpotentiometer sowie das Schiebepotentiometer. In einigen Bereichen haben sich aber bereits elektronische Potentiometer etabliert. Hier die wichtigsten Details zu diesen variablen Widerständen.
Drehpotentiometer
Drehpotis werden hauptsächlich zur Einstellung der Versorgungsspannung verwendet. Sie besitzen einen Anfangs- und einen Endkontakt, zwischen denen ein Widerstandsmaterial entweder mit einer linear oder einer logarithmisch verlaufenden Widerstands-Kennlinie angeordnet ist. Ein mittlerer Schleifkontakt ist mit der Achse des Potis verbunden und drückt federnd auf das Widerstandsmaterial. Durch Drehen der Achse lässt sich der Kontakt üblicherweise in einem Winkel von 270 Grad verschieben. Die manuell geregelte Spannung wird zwischen einem der Außenkontakte und dem Schleifkontakt abgenommen.
Drehpotentiometer besitzen oft ein metallisches Gehäuse in runder Bauform. Die Montage im Gerät erfolgt über ein passendes Loch für das Schraubgewinde am Fuß der Achse. Die Fixierung übernimmt eine Mutter, as Bedienelement für den Regler sind Knöpfe üblich.
Trimmpotentiometer
Ein Trimmpoti, Trimmpotentiometer oder Trimmer ist ein kleines Poti zur Einstellung, Abstimmung und Kalibrierung von Schaltungen. Trimmpotentiometer werden normalerweise direkt auf Leiterplatten montiert und mit einem Schraubendreher eingestellt. Prinzipiell sind diese Potis für gelegentliche Einstellungen konzipiert. Wird ein Trimmpotentiometer als Ersatz für ein normales Drehpotentiometer verwendet, ist Vorsicht geboten, da seine Lebensdauer oft nur 200 Zyklen beträgt.
Für höhere Einstellauflösungen gibt es mehrgängige Trimmpotentiometer. Die Anzahl der Umdrehungen variiert zwischen etwa 5 und 25. Um die hohe Auflösung zu erreichen, sind sie häufig mit einem Schneckengetriebe oder einer Leitspindel aufgebaut. Aufgrund ihrer komplexeren Konstruktion und Herstellung sind sie teurer als Trimmpotis mit nur einer Windung.
Schiebepotentiometer
Das Schiebepotentiometer oder Linearpotentiometer besitzt eine ähnliche Funktion wie das Drehpotentiometer. Anstelle des etwa halbkreisförmigen Widerstands gibt es aber hier eine gerade verlaufende Widerstandsbahn mit einem Schleifkontakt. Dieses Potentiometer wird oft auch als Fader bezeichnet. Zu finden ist es vor allem in Audioanwendungen für die Steuerung einzelner Kanäle, beispielsweise in einem Mischpult.
Neben Potentiometern mit nur einer Widerstandsbahn sind Bauformen mit zwei Bahnen und einem einzigen Schieberegler erhältlich, mit denen sich zwei Potentiometer parallel steuern lassen. Sie werden häufig für die Stereosteuerung im professionellen Audiobereich und für andere Anwendungen verwendet, bei denen zwei parallele Kanäle gesteuert werden müssen.
Im High-End-Bereich der Audiotechnik sind häufig motorisierte Linearpotentiometer zu finden. Hierbei handelt es sich um eine Art Schiebepotentiometer, die automatisch von einem Servomotor gesteuert werden können. Diese Fader werden in Anwendungen eingesetzt, die sowohl eine manuelle als auch eine automatische Einstellung erfordern. Am häufigsten sind sie in Studio-Audiomischern im Einsatz, um automatisch eine vorher gespeicherte Konfiguration anzufahren.
Digitale Potentiometer
Größter Vorteil digitaler Potentiometer: Umwelteinflüsse wie Vibrationen, Feuchtigkeit, Stöße und Verschmutzung der Schleifer können sie nicht beeinträchtigen. Zudem sind sie als integrierter Schaltkreis in Chip-Form im Handel und lassen sich somit automatisiert als SMD-Bauelement verwenden. Größter Nachteil ist die für digitale Anwendungen typische Abstufung. Während ein analoges Potentiometer unendlich viele Widerstandswerte zwischen dem Anfangs- und dem Schleiferkontakt realisieren kann, sind digitale Potis auf bestimmte Widerstandswerte beschränkt.
Dazu wird häufig eine Widerstandsleiter verwendet. Darunter ist eine Reihe von kleinen Widerständen mit zunehmendem Widerstandswert zu verstehen. Auf jeder Stufe der Leiter befindet sich ein elektronischer Schalter, der nur bei einem zugehörigen Signal schließt. Der geschlossene Schalter bestimmt damit sozusagen die Schleiferposition und das Widerstandsverhältnis. Die Auflösung des digitalen Potis ist durch Anzahl der Stufen bestimmt, zum Beispiel 32 oder 64. Digitale Potis lassen sich durch einfache Auf- und Abwärtssignale oder durch serielle Kommunikationsprotokolle wie I2C oder SPI steuern.
Prädestiniert sind digitale Potis für Anwendungen, in denen die Spannungssteuerung eher subjektiv erfahrbare Auswirkungen hat. Dazu gehören beispielsweise die Lautstärke- und Klangregelung in Audiogeräten oder die Einstellung von Helligkeit und Kontrast bei Bildschirmen. Eine Abstufung des Widerstandswerte in 32 oder 64 Schritten ist hier in der Regel ausreichend.
Wenn nur zwei der drei Anschlüsse des Potis verwendet werden, fungiert das Potentiometer als eine Art variabler Widerstand, der als Rheostat bezeichnet wird. Eine Endklemme wird zusammen mit einer gleitenden Klemme genutzt. Rheostate sind in der Regel bei höheren Stromstärken oder Spannungen geeigneter als normale Potentiometer, zum Beispiel zur Steuerung von Motoren in Industriemaschinen.