Потенциометры и их применение

Потенциометры и их применение

Потенциометром называется регулируемый делитель напряжения, который в отличие от реостата служит для регулировки напряжения при почти неизменном токе.

Делитель напряжений — комбинация из сопротивлений, служащая для того, чтобы разделить подводимое напряжение на части. Простейший делитель напряжения представляет собой два сопротивления соединенные последовательно с источником э. д. с.

Снимаемое с подвижного отводного контакта потенциометра напряжение может изменяться от нуля до максимального значения, равного приложенному к потенциометру напряжению, в зависимости от текущего положения подвижного контакта.

Величина снимаемого напряжения может как линейно зависеть от перемещения движка, так и логарифмически, и потенциометры по типу этой зависимости подразделяются на линейные и логарифмические (также антилогарифмические). Как вы уже поняли, речь в нашей статье пойдет о переменных резисторах.

На сегодняшний день различных переменных резисторов выпускается масса. Для любой электронной схемы можно подобрать переменный резистор, который станет потенциометром. Между тем, переменные резисторы делятся на два типа по своему устройству: тонкопленочные и проволочные, а по функциональному назначению — на непосредственно переменные и подстроечные.

Проволочные переменные резисторы содержат в себе манганиновую или константановую проволоку в качестве элемента с изменяемым сопротивлением. Проволока намотана на керамический стержень, формируя собой обмотку, по которой скользит ползунок, связанный с регулировочным механизмом, и таким образом можно изменить сопротивление между отводным контактом и контактами основными. Проволочные резисторы способны рассеивать мощность 5 ватт и даже более.

Тонкопленочные переменные резисторы содержат в качестве элемента сопротивления пленку, нанесенную на подковообразную диэлектрическую пластинку, по которой и перемещается ползунок, связанный с отводным контактом и с механизмом регулировки. Пленка представляет собой слой лака, углерода или иного материала, который указывается в документации.

Подстроечные резисторы служат для одноразовой настройки сопротивления, например в качестве потенциометров на схемах обратной связи импульсных источников питания всегда можно встретить подстроечные резисторы.

Подстроечные резисторы имеют небольшие габаритные размеры, и рассчитаны всего на несколько циклов регулировки с целью предварительной или профилактической настройки оборудования, и больше их, как правило, не трогают. Поэтому подстроечные резисторы не являются очень стойкими и прочными, по сравнению с переменными резисторами, и рассчитаны максимум на несколько десятков циклов регулировки.

Переменные резисторы рассчитаны на большое количество циклов перестройки, которое может достигать сотен тысяч раз. Переменные резисторы поэтому более износоустойчивы, чем подстроечные. Однако и здесь нужно знать меру, ведь если превысить гарантированное количество циклов перестройки, то и переменный резистор может выйти из строя.

Очевидно, подстроечный резистор никогда не заменит переменный, и если этот принцип нарушить, то можно поплатиться низкой надежностью конструируемого устройства.

Переменные резисторы применяются в тех устройствах, где регулировка подразумевается назначением устройства, например регулировка громкости в акустической системе или плавная регулировка температуры бытового колорифера. На электрогитаре можно встретить в роли потенциометра переменный резистор.

Переменные резисторы типа СП-1 на защитной крышке имеют вывод, который соединяется с общим выводом, и крышка служит электрическим экраном. Подстроечные же резисторы типа СП3-28а не имеют защитной крышки, защитой будет служить корпус устройства в котором данный резистор будет установлен.

И хотя внутренне резисторы по устройству похожи, снаружи все выгладит иначе. Переменный резистор имеет прочную металлическую или пластиковую ручку, связанную с ползунком, а подстроечный резистор регулируется отверткой, которая вставляется в специальный паз регулировочного механизма, связанного с круговым ползунком.

На схемах переменные резисторы легко узнать, они изображаются как постоянный резистор, но с регулировочным отводом в виде стрелки, символизирующей подвижный контакт потенциометра или реостата, в зависимости от схемы включения компонента. Буква R на схеме точно так же обозначает переменный резистор, как и постоянный, разница лишь в графическом изображении компонента.

При реостатной схеме включения используется изображение в виде резистора, пересеченного наискосок стрелкой, это указывает на то, что задействованы всего два контакта — регулировочный и один из крайних. Подстроечный же резистор на схеме обозначается без стрелки, а регулировочный контакт обозначается тонкой полоской.

Переменные резисторы, бывает, сочетают в себе с функцией потенциометра еще и функцию выключателя. Это удобно, когда переменный резистор используется в качестве регулятора громкости, скажем, портативного радиоприемника, когда поворотом ручки сначала осуществляется включение, затем сразу настраивается громкость.

Электрически встроенный выключатель не связан с цепью резистора, но находится в том же корпусе, что и переменный резистивный элемент с подвижным контактом. Примером переменных резисторов с интегрированным выключателем может служить отечественный СП3-3бМ или 24S1 китайского производства.

Среди переменных резисторов встречаются сдвоенные и даже счетверенные, когда поворот одной ручки приводит к перестройке сразу двух или четырех независимых электрически, на функционально связанных цепей. Например регулятор стерео баланса удобно реализовывать таким образом. В эквалайзерах используется до двух десятков сдвоенных резисторов.

На схемах сдвоенные (счетверенные) резисторы отличаются обозначением и графическим изображением: пунктир указывает на то, что механически подвижные контакты объединены.

Типов подстроечных и переменных резисторов на современном рынке множество. Это и неразборные подстроечные резисторы типа СП4-1, залитые эпоксидным компаундом, и предназначенные для аппаратуры оборонного назначения и подстроечные типа СП3-16б для вертикального монтажа на плату, и т.д.

При изготовлении бытовой аппаратуры, на платы впаивают маленькие подстроечные резисторы, которые, кстати, могут по мощности достигать 0,5 ватт. В некоторых из них, например в СП3-19а, в качестве резистивного слоя применяется металлокерамика.

Есть и совсем простые подстроечные резисторы на основе лаковой пленки, такие как СП3-38 с открытым корпусом, уязвимые для влаги и пыли, и мощностью не более 0,25 ватт. Такие резисторы регулируются диэлектрической отверткой, дабы избежать случайного короткого замыкания. Такие простые резисторы часто встречаются в бытовой электронике, например в блоках питания мониторов.

Некоторые подстроечные резисторы имеют герметичный корпус, например R-16N2, они регулируются специальной отверткой, и являются более надежными, поскольку на резистивную дорожку не попадает пыль и не конденсируется влага.

Мощные трехваттные резисторы типа СП5-50МА в корпусе имеют отверстия для вентиляции, в них проводник намотан в форме тороида, а контактный ползунок скользит по нему при повороте ручки отверткой.

В некоторых телевизорах с ЭЛТ до сих пор можно встретить высоковольтные подстроечные резисторы, такие как НР1-9А, сопротивлением 68 МОм и номинальной мощностью 4 ватта. По сути это набор металлокерамических резисторов в одном корпусе, а типичное рабочее напряжение для данного резистора составляет 8,5 кВ, при максимуме в 15 кВ. Сегодня подобные резисторы встроены в ТДКС.

В аналоговой аудиоаппаратуре можно встретить ползунковые или движковые переменные резисторы, типа СП3-23а, которые отвечают за регулировку громкости, тембра, баланса и т. д. Это линейные резисторы, которые бывают и сдвоенными, как например СП3-23б.

Подстроечные многооборотные резисторы часто встречаются в электронной аппаратуре, в измерительных приборах и т. д. Их механизм позволяет точно регулировать сопротивление, и количество оборотов измеряется несколькими десятками. Червячная передача делает возможным медленный поворот и плавное перемещение скользящего контакта по резистивной дорожке, благодаря чему схемы настраиваются очень и очень точно.

Например подстроечный многооборотный резистор СП5-2ВБ настраивается именно посредством червячной передачи внутри корпуса, и для полного прохода всей резистивной дорожки нужно совершить 40 оборотов отверткой. Резисторы данного типа в разных модификациях имеют мощность от 0,125 до 1 ватта, и рассчитаны на 100 — 200 циклов регулировки.

Всевозможные переменные резисторы находят широкое применение в роли потенциометров в различных приборах, начиная с бытовых, таких как обогреватели, водонагреватели, акустические системы, заканчивая музыкальными инструментами, такими как электрогитары и синтезаторы. Подстроечные резисторы можно встретить практически на любых печатных платах, начиная с телевизоров, заканчивая цифровыми осциллографами и техникой оборонного значения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Как работает переменный резистор. Регулируем напряжение

Прибор, схема которого изображена на рисунке 1, предназначен для регулировки переменного напряжения. Он сочетает в себе преимущества трансформаторных преобразователей (гальваническое разделение от сети и, как следствие, безопасность в работе) и тиристорных регулирующих устройств (плавная регулировка выходного напряжения в широком диапазоне, высокий КПД). Ценное свойство этого регулятора — электронная защита от токовых перегрузок, возникающих при включении его в сеть. Силовые элементы его и нагрузка предохранены от повреждений экстратоками. Устранение «бросков» тока при включении значительно увеличивает ресурс ламп накаливания, имеющих низкое сопротивление холодной нити.

Совместно с простейшим диодно-мостовым выпрямителем регулятор используется и как источник постоянного напряжения, точнее, пульсирующего напряжения, которое можно сгладить емкостным фильтром.

КПД регулятора высок: он достигает 70. 80 процентов и определяется в основном потерями в трансформаторе. Трансформатор может быть как понижающим (в этом случае число витков обмотки L1 больше, чем у L2), так и повышающим.

Регулятор может найти применение в лабораторном блоке питания для получения постоянного или переменного напряжения. Пригодится он и для зарядки мощных аккумуляторов. При этом используют понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 10. 15. В этом случае ток, протекающий в цепи первичной обмотки трансформатора, примерно в 10. 15 раз меньше тока вторичной обмотки. Таким образом, тепловая мощность, рассеиваемая на силовом тринисторе VD, незначительна даже при больших токах нагрузки (5. 10 А). Это позволяет обойтись без теплоотводящих радиаторов и упрощает конструкцию регулятора.

Принцип действия прибора таков. Среднее (или эффективное) значение напряжения регулируется путем изменения фазового угла зажигания силового тринистора. Силовой тринистор можно представить как ключ, пропускающий ток в течение некоторой части периода синусоидального напряжения. Вводя задержку на открывание этого ключа, мы тем самым изменяем среднее значение тока, протекающего через нагрузку.

На элементах VT1, VT2 собран аналог однопереходного транзистора, управляющего работой силового тринистора VD. Запирающее напряжение подается на базу транзистора VT1 с делителя напряжения, образованного элементами R1. R4. Элементы R5, R6 и С1 образуют фазосдвигающую цепь. Изменяя сопротивление резистора R6, можно изменять время заряда конденсатора С1 до значения запирающего напряжения и тем самым регулировать задержку на включение тринистора VD. Таким образом происходит регулирование мощности в нагрузке.

Сопротивление резистора R5 задает верхнее значение выходного напряжения. Поэтому сопротивление резистора R5 выбирают в пределах 5,1- 20 кОм. Следует иметь в виду, что, увеличивая сопротивление R5, мы уменьшаем максимальное значение выходного напряжения.
Сопротивление переменного резистора R6 можно увеличить до 220 кОм. При этом глубина регулировки в сторону уменьшения возрастает, но максимальное значение напряжения не изменяется.

Защита от токовых перегрузок при включении регулятора в сеть обеспечивается введением в цепь делителя напряжения, задающего пороговое запирающее напряжение терморезистора R4, имеющего отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). За счет тепловой инерции терморезистора пороговое запирающее напряжение, подаваемое на базу транзистора VT1, имеет максимальное значение в момент включения регулятора и плавно уменьшается по мере разогрева терморезистора током, протекающим через делитель напряжения. Соответственно выходное напряжение в первый момент после включения имеет минимальное значение и плавно возрастает в течение промежутка времени, определяемого тепловой инерцией терморезистора (как правило, 0,5. 1 с), стремясь к установившемуся значению. При этом нагрузка и силовые элементы регулятора оказываются надежно защищенными от экстратоков включения. Следует отметить, что эффективность защиты повышается, если вместо одного терморезистора включить последовательно 2. 3 идентичных. Номиналы остальных элементов схемы в этом случае не изменяются.

В регуляторе использованы следующие элементы: конденсатор С1 типа МБМ на рабочее напряжение не ниже 160 В, постоянные резисторы типа МЛТ, переменный резистор типа СПЗ-12а, СПЗ-6 и аналогичные (допускается применеиие подстроечных резисторов типа СПЗ-1а, СПЗ-1б). Вместо терморезистора Т8М можно применить любые терморезисторы из серий Т8, Т9 (при этом время выхода на режим будет несколько отличаться от указанного).

В качестве трансформатора Т можно использовать готовые типа ТН-54 (максимальный выходной ток 5 А), ТН-58 (выходной ток не более 6 А), у которых выводы вторичных обмоток 9-10, 11- 12, 14-15 можно соединять последовательно для получения нужного коэффициента трансформации. Кроме того, не исключено применение трансформаторов типа ТПП. Можно изготовить трансформатор и самостоятельно по описаниям, приведенным в журнале «Радио» № 1 за 1980 год и № 4 за 1984 год, а также в сборнике «В помощь радиолюбителю», выпуск 84. При этом надо иметь в виду, что расчетная мощность трансформатора не должна превышать 150 Вт.

В качестве диодного блока В можно применить КЦ405А, Б, а также КЦ402А-В. Вместо указанных на схеме транзисторов вполне подходят: VT1-МП21 с индексами В-Е, МП26; VT2-КТ315 с любым буквенным индексом. Тринистор VD может быть типа КУ201Л. Выключатель 5 — любой сетевой на напряжение не ниже 250 В и ток не менее 2 А (можно использовать тумблер ТВ1-1).

Для электропитания обычных сетевых устройств, рассчитанных на напряжение 220 В мощностью до 200 Вт (например, ламп накаливания, электронагревательных приборов и т. п.) регулятор можно использовать в бестрансформаторном варианте. Трансформатор Т исключают из схемы, а нагрузку включают вместо первичной обмотки W1. При этом гальваническое разделение от сети отсутствует, однако защитные свойства схемы от перегрузок при включении полностью сохраняются.

Иногда требуется регулировать напряжение не от нуля до максимума, а в сравнительно небольших пределах изменения. Один из вариантов регулятора, позволяющего регулировать напряжение в диапазоне 160. 220 В, приведен на рисунке 2 (имеется в виду действующее значение напряжения, определяющее тепловой эффект электрического тока). Эта схема (рис. 2) во многом аналогична предыдущей. Но есть и отличие: форма напряжения в нагрузке имеет ярко выраженную несимметрию. Поэтому в качестве нагрузки нельзя использовать устройства с большой индуктивностью. Область применения данного регулятора — электропитание нагревательных и осветительных приборов мощностью до 400 Вт (при этом допускается применение диодов типа КД202 с индексами К-Р).

В приведенных выше схемах для защиты от токовых бросков при включении регуляторов использованы терморезисторы. У радиолюбителей, особенно начинающих, могут возникнуть трудности с их приобретением. В этом случае резистор R4 можно просто исключить из схемы (соединив нижний вывод резистора RЗ с «минусом» регулятора), оставив номиналы остальных элементов прежними. Тогда устройство будет работать аналогично обычному тиристорному регулятору напряжения.

Регулятор, схема которого приведена на рисунке 3, содержит всего несколько деталей. С его помощью можно увеличить напряжение без трансформаторов. КПД такого регулятора весьма высок и достигает 98 процентов. Но надо иметь в виду, что на выходе регулятора действует практически постоянное напряжение. По сути дела, регулятор представляет собой выпрямитель с фильтром. Эффект повышения напряжения обусловлен зарядкой конденсаторов. Таким образом, прибор работает исключительно с активной нагрузкой, мощность которой может достигать 600 Вт.

Регулятор обеспечивает ступенчатую регулировку выходного напряжения. Количество ступеней можно изменить, подключив дополнительные конденсаторы. Максимальный коэффициент увеличения действующего значения напряжения на выходе прибора по сравнению со входом зависит от соотношения суммарной емкости подключенных конденсаторов и сопротивления нагрузки. При указанных номиналах он может достигать 1,2. 1,4.

Предлагаемый регулятор удобно использовать как приставку к электропаяльнику. Он также может быть полезен при фотографических работах с искусственным освещением: вся подготовительная часть пройдет при обычном напряжении, а в момент съемки оперативно включают форсированный режим питания ламп. В этом случае резко увеличивается светоотдача электроламп накаливания (до 2. 2,5 раза) и улучшаются спектральные характеристики — «белизна» света, или, как говорят, повышается «цветовая температура» ламп.

В схеме регулятора допускается использовать диоды серни КД202 с индексами К-Р, конденсаторы типа К50-7 на рабочее напряжение 450 В. Выключатели S1-S3 — любые сетевые, рассчитанные на ток не менее 1 А.

Все описанные регуляторы при исправных элементах начинают работать сразу, без наладки.

Всем привет! В прошлой статье я расказывал, как сделать . Сегодня мы сделаем регулятор напряжения для переменного тока 220в. Конструкция довольно-таки проста для повторения даже начинающими. Но при этом регулятор может брать на себя нагрузку даже в 1 киловатт! Для изготовления данного регулятора нам понадобится несколько компонентов:

1. Резистор 4.7кОм млт-0.5 (пойдет даже 0.25 ватт).
2. Перменный резистор 500кОм-1мОм, с 500ком будет регулировать довольно плавно, но только в диапазоне 220в-120в. С 1 мОм — будет регулировать более жестко, тоесть будет регулировать промежутком в 5-10вольт, но зато диапазон возрастет, возможно регулировать от 220 до 60 вольт! Резистор желательно ставить со встроеным выключателем (хотя можно обойтись и без него, просто поставив перемычку).
3. Динистор DB3. Взять такой можно из ЛСД экономичных ламп. (Можно заменить на отечественный KH102).
4. Диод FR104 или 1N4007, такие диоды встречаются практически в любой импортной радиотехнике.
5. Экономичные по току светодиоды.
6. Симистор BT136-600B или BT138-600.
7. Винтовые клемники. (обйтись можно и без них, просто припаяв провода к плате).
8. Небольшой радиатор (до 0,5кВт он не нужен).
9. Пленочный конденсатор на 400вольт, от 0.1 микрофарадп, до 0.47 микрофарад.

Схема регулятора переменного напряжения:

Приступим к сборке устройства. Для начало вытравим и пролудим плату. Печатная плата — её рисунок в LAY, находится в архиве. Более компактный вариант, представленный товарищем sergei — .

Затем паяем конденастор. На фото конднесатор со стороны лужения, т.к у моего экземпляра конденсатора были слишком коротки ножки.

Паяем динистор. У динистора полярности нет, так-что вставляем его как вам угодно. Припаиваем диод, резистор, светодиод, перемычку и винтовой клемник. Выглядит оно примерно так:

И в конце концов последний этап — это ставим на симистор радиатор.

А вот фото готового устройства уже в корпусе.

Регулятор какой-нибуть дополнительно настройки не требует. Видео работы данного устройства:

Хочу заметить, что ставить его можно не только в сеть 220В на обычные приборы и , но и на любой другой источник переменного тока с напряжением от 20 до 500В (ограничивается предельными параметрами радиоэлементов схемы). С вами был Boil-:D

Обсудить статью РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Переменные резисторы отличаются от постоянных наличием третьего выво­да- движка, который представляет собой подпружиненный ползунок, кото­рый может механически передвигаться по резистивному слою. Соответст­венно, в одном крайнем положении движка сопротивление между его выводом и одним из выводов резистивного слоя равно нулю, в другом — максимуму, соответствующему номинальному сопротивлению.

Так как вывода три, то переменный резистор может подключаться двумя способами — как простой резистор (тогда вьшод движка объединяется с од­ним из крайних выводов), и по схеме потенциометра, когда все три вывода задействованы. Оба способа подключения показаны на рис. 5.2. Резисторы по своему предназначению служат для преобразования напряжения в ток и об­ратно — в соответствии с этим схема обычного включения переменного ре­зистора служит для преобразования напряжения U в ток /, а схема потенцио­метра (делителя напряжения) — тока / в напряжение U, Кажется, что в схеме обычного включения необязательно соединять вывод движка с одним из крайних выводов — если оставить незадействованный крайний вывод «ви­сящим в воздухе», то ничего в принципе не изменится. Но это не совсем так — на «висящем» выводе возникают наводки от «гуляющего» в простран­стве электрического поля, и правильно подключать переменный резистор именно так, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Два способа подключения переменных резисторов

Переменные резисторы делятся на собственно переменные (к которым под­соединена ручка внешней регулировки) и подстроечные — изменяемые толь­ко в процессе настройки схемы путем вращения движка отверткой (см. рис. 5.1, внизу). Переменные резисторы мало изменились за все время своего сущест­вования, еще со времен реостата Майкла Фарадея, и всем им присущи одни и те же недостатки: в основном это нарушение механического контакта между ползунком и резистивным слоем. Особенно это касается дешевых открытых подстроечных резисторов типа СПЗ-1 (на рис. 5.1 внизу крайний справа) — представьте себе работу этого резистора, например, в телевизоре, находя­щемся в атмосфере домашней кухни!

Поэтому, если есть возможность, применения переменных резисторов следу­ет избегать или ставить их последовательно с постоянными так, чтобы они составляли только необходимую часть всей величины сопротивления. Под­строечные резисторы хороши на стадии отладки схемы, а затем лучше заме­нить их постоянными и предусмотреть на плате возможность подключения параллельных и/или последовательных постоянных резисторов для оконча­тельной подстройки. От внешних переменных резисторов (вроде регулятора громкости приемника), казалось бы, никуда не денешься, но и это не так: ис­пользование аналоговых регуляторов с цифровым управлением дает отлич­ную альтернативу переменникам. Но это сложно, а в простых схемах, по воз­можности, следует вместо переменного резистора ставить многопози­ционный ступенчатый переключатель — это гораздо надежнее.

Кнопочный регулятор

В некоторых электронных устройствах переменные резисторы для регулировок (например громкости, тембра и т.д.) удобно заменить на кнопочный регулятор. Предлагаемое устройство позволяет в широких пределах управлять выходным напряжением (от 1 до 11 В, в зависимости от напряжения Uпитания) и изменять сопротивление аналога переменного резистора при помощи двух кнопок «больше» и «меньше» и затем запоминать установленное значение. По сравнению с обычными переменными резисторами в этом случае обеспечивается гораздо большая точность регулировки, отсутствие шумов и «тресков», выше надежность, так как отсутствуют механические контакты. Принципиальная схема устройства показана на рисунке.

Чтобы с его помощью можно было регулировать, например, громкость, нужно к выходу подключить электронную схему аналога переменного резистора, которую можно собрать на полевом транзисторе обычного типа. Как это сделать, показано на рисунке ниже.

Пунктирной линией здесь показана аналогия подключения переменного резистора. Полевой транзистор выполняет роль резистора, сопротивление которого зависит от напряжения между истоком и затвором. Глубина регулировки с таким каскадом достигает 30 дБ, что вполне достаточно для различной аудио и другой радиоаппаратуры.

В схемах применены недорогие распространенные элементы. Транзисторы КТ203 можно заменить на КТ361. Коэффициент усиления всех транзисторов должен быть порядка 100 или выше. Диоды могут быть типа Д220, Д223. S1 и S2 – любые малогабаритные кнопки без фиксации. В принципе, устройство не критично к используемым элементам и допускается отклонение от указанных номиналов до 15-20 %. Данные схемы рассчитывались для работы с аппаратурой, имеющей общий «плюс» (как видно из схем). Если же требуется поменять полярность питающего напряжения, то нужно просто заменить указанные транзисторы на транзисторы другой проводимости, то есть поменять местами КТ203 и КТ315, а также изменить полярность включения диодов и полярных конденсаторов на обратную.

Расположение элементов на печатных платах показано на рис.3. Размеры плат были обусловлены габаритами используемого корпуса (усилитель мощности в корпусе от автомагнитолы) и в принципе плату 1 можно значительно уменьшить, «сжать» ее в длину. Резисторы применены МЛТ-0,125, конденсаторы — любого типа с подходящими размерами.

Налаживание

Сначала желательно проверить работу генератора импульсов на транзисторах V1 и V2 (частота около 30кГц, U= Uпитания). Для этого нужно подключить осциллограф к резистору R5. Затем к выходу схемы подключается вольтметр постоянного тока, движки подстроечников R9, R14 устанавливают в среднее положение. Нажатием кнопки S2 устанавливают минимально возможное значение напряжения, то есть такое, при котором кнопкой еще можно выходным напряжением управлять (нижний порог). Резистором R14 устанавливают это напряжение в пределах 1 … 1,5 В. Аналогично, но уже при нажатой кнопке S1, подстроечником R9 устанавливают максимальное устойчивое напряжение на выходе (верхний порог) – 8,5… 11 В. Подбором резисторов R10 и R11 можно регулировать скорость регулировки, при нажатой соответствующей кнопке.

Питание на схемы (9 – 12 В) нужно подавать от стабилизированного источника. Схемы простых вариантов стабилизаторов показаны на рисунке ниже.

Напряжение стабилизации зависит от применяемого стабилитрона (в данном случае 11 … 12 В).

Цифровые потенциометры

В последнее время все реже приходится видеть на платах еще недавно привычные подстроечные элементы. Большая часть регулировок в процессе производства и при обслуживании аппаратуры возлагается на микропроцессоры. Такой подход имеет очевидные преимущества, а реализовать его помогают цифровые потенциометры (ЦП). Уже считается дурным тоном устанавливать в аппаратуру какие-либо механические подстроечные элементы. Причин этому несколько: большие затраты на реализацию ручного процесса регулировки, низкая точность регулировки, невысокая надежность подстроечных элементов. В связи с тем, что современная аппаратура становится все более «умной», многие подстроечные элементы можно просто исключить, возложив функции калибровки на плечи микропроцессора. Действительно, какой смысл, например, ставить регулятор смещения нуля перед АЦП, если это смещение можно вычесть программно? Необходимо только позаботиться о достаточном динамическом диапазоне, чтобы даже в худшем случае из-за разброса параметров элементов в тракте не возникла перегрузка.

Однако в ряде случаев без подстроек не обойтись и приходится искать замену механическим переменным резисторам. Если регулировка осуществляется постоянным напряжением, то дело обстоит просто: ее сможет осуществить любой ЦАП. Специально предназначены для таких целей микросхемы ЦАП, имеющие невысокую точность и большое количество каналов в корпусе. Примером может служить 8-канальный ЦАП AD7808.

Но как быть, если требуется регулировка переменного сигнала? Частичным выходом из положения является использование умножающего ЦАП. Еще в давние времена многие отечественные разработчики применяли умножающий ЦАП К572ПА1 (он же AD7520) для построения аттенюаторов сигнала и даже умудрялись строить на нем перестраиваемые по частоте фильтры. Хотя этот ЦАП и можно было включать как потенциометр, однако из-за особенностей его схемотехники существовало ограничение: один из выводов должен быть обязательно заземлен, а на другой можно подавать лишь относительно небольшое напряжение, иначе ухудшалась линейность. Для получения полноценной замены переменного резистора можно взять КМОП-мультиплексор и подключить к нему цепочку постоянных резисторов. Такой цифровой потенциометр будет иметь три отдельных вывода, на которые можно подавать любые постоянные или переменные напряжения в допустимых для электронных ключей пределах. В настоящее время нет необходимости делать самодельные ЦП, так как выпускается большое количество готовых и практически на все случаи жизни.

Рис. 1. Структурная схема ЦП

Что такое цифровой потенциометр (ЦП)?

Четкой грани между ЦАП и ЦП нет. ЦП в англоязычной литературе иногда даже называют Trim-DAC, то есть ЦАП для подстройки. Пожалуй, главная отличительная особенность ЦП — это то, что он имеет три вывода переменного резистора (рис. 1), которые можно совершенно свободно подключать к любым потенциалам, постоянным или переменным, лишь бы они не выходили за пределы напряжения питания. Второе отличие заключается в шине управления. Обычные ЦАП довольно часто имеют параллельную шину, которая обеспечивает максимальное быстродействие. Для ЦП не требуется высокого быстродействия, поэтому применять громоздкую параллельную шину не имеет смысла. Подавляющее большинство ЦП имеет последовательную шину управления.

Чаще всего используются три типа шин управления: SPI, I2C и UDC. Некоторые производители не указывают явно, что ЦП имеет именно шину SPI или I2C, называя шины 3-wire и 2-wire соответственно. Часто приборы с шиной I2C называют адресуемыми. На самом деле совместимость с соответствующими шинами обычно обеспечивается, хотя могут быть и некоторые особенности, которые описаны в фирменной документации.

Таблица

Таблица (продолжение)

Таблица (продолжение)

Отдельно следует остановиться на интерфейсе UDC (Up/Down Control). Этот интерфейс является специфическим и предназначен для ручного управления ЦП с помощью кнопок. Интерфейс имеет три сигнала: CS — выбор устройства, Inc — инкремент и Up/Dn — сигнал направления. Для регулировки потенциометра необходимо выбрать его сигналом CS, подать сигнал направления Up/Dn и затем осуществить нужное количество шагов, подавая импульсы на вход Inc. Бывают и исключения. Например, ЦП DS1866 имеет параллельную шину, а DS2890 — однопроводную.

Зачем ЦП энергонезависимая память?

Обычные переменные резисторы после регулировки сохраняют свое положение. С ЦП все сложнее: достаточно выключить питание, как он «забывает» свое положение. При следующем включении питания ЦП устанавливается в определенное начальное положение, которое зависит от типа ЦП. Если в системе есть микропроцессор, то нет проблем: после включения питания он сразу может загрузить нужные коды, восстановив положение ЦП, найденное при регулировке. А если ЦП установлен в изделии, не имеющем микропроцессора или его вмешательство нежелательно? Для таких целей выпускается ряд типов ЦП со встроенной энергонезависимой памятью. Достаточно один раз настроить такой ЦП (кнопками или с помощью микропроцессора), как он запоминает положение и восстанавливает его при включении питания. Такие потенциометры выпускает фирма Dallas Semiconductor под фирменным названием Dallastat, а фирмы Xicor, Catalyst и Vishay вообще не делают ЦП без встроенной энергонезависимой памяти. Причем у некоторых ЦП этих фирм может запоминаться не одно положение, а несколько (часто четыре), что позволяет реализовать различные предустановки, например, для разных режимов работы. Некоторые ЦП имеют встроенную энергонезависимую память большого объема, которую можно использовать для посторонних целей. Например, ЦП DS1845/46 имеют память объемом 256 байт.

Достоинства ЦП

И недостатки.

Существуют некоторые отличия цифровых потенциометров от обычных механических переменных резисторов, которые накладывают ограничения на их применение и в большинстве случаев являются недостатками.

Параметры ЦП

Важнейшим параметром ЦП является количество коммутируемых отводов переменного резистора (количество шагов). Этот параметр определяет дискретность регулировки. Обычно количество шагов является степенью числа 2, но бывают ЦП и с другим количеством шагов, например 100. Наиболее распространены ЦП с количеством шагов от 32 до 256.

Еще одним важным параметром ЦП, впрочем, как и обычного переменного резистора, является полное сопротивление. Наиболее распространены ЦП с полным сопротивлением 10, 50 и 100 кОм.

Среди других параметров ЦП необходимо отметить максимальное напряжение на выводах переменного резистора, сопротивление «щетки», максимальный допустимый ток, максимальную рассеиваемую мощность, шум, нелинейность и температурный коэффициент. Значения этих параметров у разных типов ЦП могут существенно отличаться, подробности можно найти в фирменной документации. Краткий список наиболее распространенных ЦП и их параметров приведен в таблице.

Диапазон допустимых напряжений на выводах

Пожалуй, самое главное отличие от переменных резисторов заключается в том, что ЦП нельзя включать в цепь, потенциал которой выходит за пределы допустимого напряжения на выводах переменного резистора. Чаще всего это напряжение не должно выходить за пределы напряжения питания ЦП. Для многих ЦП допустимый диапазон напряжений питания равен 0…5 В, поэтому и использоваться они могут лишь в цепях с такими потенциалами. Некоторые типы ЦП допускают напряжение на выводах переменного резистора большее, чем напряжение питания. Например, X9312 при питании +5 В допускает напряжение до +15 В. Некоторые ЦП могут иметь двухполярное питание ±5 В, и это расширяет сферу их применения на схемы с двухполярным питанием. В то же время в измерительной аппаратуре часто используется напряжение питания ±15 В, что затрудняет применение там большинства ЦП. Дело в том, что производство ЦП подчиняется общей тенденции перехода на низкое напряжение питания ±5 В или даже ±3 В. Хотя есть и исключения, например AD7376, который работает при напряжениях питания ±15 В.

В принципе двухполярное питание можно подать на любой ЦП, но тогда нужно будет подавать цифровые управляющие сигналы не относительно земли, а относительно отрицательного напряжения питания. Таких неудобств позволяют избежать ЦП, специально предназначенные для работы при двухполярном питании и имеющие вывод для подачи отрицательного напряжения питания.

Амплитудно-частотная характеристика

Из-за наличия паразитных емкостей АЧХ делителя, который образован ЦП, имеет спад на высоких частотах.

Рис.2 Эквивалентная схема ЦП.

Эквивалентная схема ЦП показана на рис. 2. Из нее видно, что ЦП представляет собой ФНЧ, частота среза которого зависит, в частности, от положения. Значения емкостей на рисунке указаны ориентировочно. Они зависят от типа ЦП и от положения. В то же время значения паразитных емкостей практически не зависят от номинального сопротивления ЦП. Поэтому там, где требуется широкая полоса пропускания, следует применять ЦП с возможно меньшим сопротивлением, имеющие более высокую частоту среза. Приблизительно частота среза для ЦП сопротивлением 100 кОм равна 100 кГц, 50 кОм — 200 кГц, 10 кОм — около 1 МГц (рис. 3). У обычных подстроечных резисторов паразитные емкости значительно меньше.

Рис.3. АЧХ ЦП AD8400

Сопротивление «щетки»

Еще одно отличие ЦП от обычных переменных резисторов заключается в несколько большем сопротивлении в крайнем положении (сопротивление «щетки» переменного резистора). Для обычного переменного резистора это сопротивление может составлять десятые доли ома. Для 10-килоомного ЦП сопротивление «щетки» составляет порядка 50–100 Ом. Это сопротивление образовано сопротивлением канала открытого полевого транзистора и ведет себя так же, как и RON у микросхем электронных ключей. Сопротивление канала заметно возрастает при понижении напряжения питания. Кроме того, оно зависит от напряжения на «дорожке» потенциометра относительно общего провода («минуса» источника питания ЦП). Этот эффект особенно заметен при пониженном напряжении питания (рис. 4).

Рис.4. Зависимость сопротивления «щетки» от напряжения

Эффект модуляции сопротивления канала является основной причиной возникновения нелинейных искажений при прохождении сигнала через электронный ключ. Аналогичный эффект наблюдается и в ЦП. Для его минимизации нужно работать при возможно большем напряжении питания и обеспечивать такое включение ЦП, когда синфазная составляющая сигнала на нем минимальна. Типичным для ЦП является коэффициент гармоник около 0,01 %. Некоторые типы ЦП имеют встроенную ESD-защиту, которая состоит из резистора и стабилитрона. Сопротивление этого резистора также входит в сопротивление «щетки».

Зависимость сопротивления от температуры

Температурный коэффициент сопротивления резисторов, на основе которых построены ЦП, достаточно велик. Это обычно поликристаллические кремниевые резисторы, имеющие положительный ТКС. Абсолютное значение ТКС имеет величину примерно 300–800 ppm/°C. Поэтому, если применять потенциометр в режиме реостата (двухполюсник), таким же будет и результирующий ТКС. Это нужно учитывать при использовании ЦП. Ситуация существенно улучшится, когда ЦП используется в режиме потенциометра (делитель напряжения, трехполюсник). Коэффициент деления имеет значительно меньший температурный коэффициент (обычно не более 20 ppm/°C). Однако вблизи крайнего положения он значительно больше (рис. 5), так как большое влияние оказывает сопротивление канала полевого ключа, имеющее значительный ТКС (тысячи ppm).

Рис.5. Температурная зависимость для ЦП в режиме потенциометра

Разброс сопротивлений

Существует ряд применений, где требуется согласованная регулировка двух и более переменных резисторов. Примером может служить активный фильтр второго порядка с перестраиваемой частотой среза. Для этой цели годятся лишь сдвоенные ЦП, выполненные на одном кристалле и имеющие разброс сопротивлений не более 1 %. А вот у разных экземпляров ЦП даже одного типа разброс сопротивлений может доходить до 30 %.

Проникновение сигналов управления

ЦП также присущ эффект проникновения сигнала с цифровых управляющих входов в цепь переменного резистора. Этот эффект объясняется наличием паразитных емкостей, и в первую очередь емкости между каналом и затвором полевых ключей. Поэтому в процессе регулировки возможно возникновение помех. Там, где регулировка выполняется однократно, эти помехи практически не имеют значения. А в таких применениях, как, например, регулировка громкости, помехи весьма нежелательны. Поэтому для регулировки громкости следует использовать специальные ЦП, у которых помехи существенно уменьшены (glitchless-регуляторы).

Нелинейность

Как и обыкновенным ЦАП, ЦП присуща интегральная и дифференциальная нелинейность. Во многих применениях ЦП нелинейность не имеет определяющего значения, хотя существуют критичные применения, где ее нужно учитывать. Численные значения нелинейности для конкретных типов ЦП можно найти в документации производителя.

Области применения ЦП

В настоящее время широко рекламируется возможность применения ЦП в качестве регуляторов громкости и тембра в аудиоаппаратуре. Однако обычные ЦП имеют для этого слишком маленький динамический диапазон и большие искажения. Для цифровых потенциометров остается лишь узкая ниша low-end применений, таких как регулировка громкости в сотовых телефонах, переносной аппаратуре и устройствах multimedia. Для построения высококачественных регуляторов громкости выпускается ряд специализированных микросхем, таких как AD7111, AD7112 от Analog Devices, CS3310 от Crystal и др. Эти микросхемы включены в табл. 1, поскольку они имеют схожие с ЦП функции, хотя и представляют собой классические умножающие ЦАП. Для получения широкого динамического диапазона сдвоенный ЦАП AD7112 имеет разрядность 17 бит, а управляется он 8-разрядным кодом с помощью шифратора, обеспечивающего логарифмическую характе- ристику с шагом 0,375 дБ.

Примеры применения ЦП

На рис. 6, а показана схема инвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого регулируется с помощью ЦП в пределах от –0,5 до –2. Особенностью схемы является то, что она допускает диапазон входного напряжения ±10 В без нарушения условия, что на выводах ЦП напряжение не должно превышать ±5 В.

На рис. 6, б приведен пример регулировки смещения ОУ с помощью ЦП. Благодаря резисторам, включенным последовательно с ЦП, цепь регулировки смещения удалось запитать от источника ±15 В без нарушения ограничения ±5 В для ЦП.

На рис. 6, в изображен гиратор, значение эквивалентной индуктивности которого регулируется с помощью ЦП.

На рис. 6, г показан стабилизатор на основе IC LM317, выходное напряжение которого регулируется с помощью ЦП. В этой схеме максимальное выходное напряжение ограничено возможностями ЦП.

При построении широкополосных усилителей АЧХ даже самого низкоомного ЦП может оказаться неудовлетворительной. В таких случаях можно уменьшить эффективное полное сопротивление ЦП, включив параллельно ему постоянный резистор. На рис. 6, д показана схема усилителя, частота среза которого регулируется с помощью ЦП в пределах 0,13…1 МГц, а коэффициент усиления — в пределах 1…2.