Потенціометр (вимірювальний прилад)

Порівняння напруг за допомогою потенціометра

Потенціометр є подільником напруги з резисторів (резистивний дільник) зі змінним опором (змінних резисторів).

До розподілювача напруги підключають джерело, напруга якого відома (${\displaystyle U_{0}}$), і джерело, напругу якого потрібно визначити (${\displaystyle U_{x}}$).

Відому з достатньою точністю одну з порівнюваних напруг прийнято називати «опорною напругою» або «опорною ЕРС». В іноземній літературі опорну напругу називають «референтною напругою» і зазвичай позначають ${\displaystyle U_{ref}}$.

Ручним або автоматичним регулюванням опорів розподілювача напруги домагаються, щоб напруга ${\displaystyle U_{K}}$, яка знімається з розподілювачя, стала рівною напрузі (або ЕРС) ${\displaystyle U_{x}}$. Рівність напруг (${\displaystyle U_{x}=U_{K}}$) зазвичай називають «балансом напруг». Індикатором «балансу» є чутливий вимірювач малих струмів (або напруг), який часто називають «нуль-індикатором» і на малюнку позначений буквою «O». При ${\displaystyle U_{x}=U_{K},}$ струм ${\displaystyle I_{x}}$, який проходить через нуль-індикатор «О», буде дорівнює 0.

В якості нуль-індикаторів історично першими стали застосовувати чутливі гальванометри. В сучасній електроніці, як нуль-індикатор застосовують диференціальні підсилювачі з високим коефіцієнтом посилення.

Для схеми, зображеної у верхній частині малюнка, за правилами Кірхгофа

${\displaystyle I_{x}+I_{K}=I_{0};}$

${\displaystyle U_{x}=U_{K}=I_{K}\cdot R_{1};}$

${\displaystyle U_{0}+I_{0}\cdot (R_{0}-R_{1})+I_{K}\cdot R_{1}=0,}$

з урахуванням ${\displaystyle I_{x}=0}$ :

${\displaystyle I_{K}=I_{0};}$

${\displaystyle U_{x}=I_{0}\cdot R_{1};}$

${\displaystyle I_{0}={\frac {U_{x}}{R_{1}}};}$

${\displaystyle U_{0}+I_{0}\cdot (R_{0}-R_{1})+I_{0}\cdot R_{1}=U_{0}+I_{0}\cdot R_{0}=0;}$

${\displaystyle U_{0}=-I_{0}\cdot R_{0}=-{\frac {U_{x}}{R_{1}}}\cdot R_{0};}$

${\displaystyle U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{0}}},}$

де:

• ${\displaystyle R_{1}}$ — опір ділянки змінного резистора ${\displaystyle R_{0}}$ знизу (на малюнку) до рухомого контакту;
• ${\displaystyle R_{0}}$ — повний опір змінного резистора.

${\displaystyle U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}.}$

Отже, знаючи співвідношення опорів резисторів розподільника напруги при рівності напруг («балансі»), можна чисельно виразити одну напругу (${\displaystyle U_{0}}$ або ${\displaystyle U_{x}}$) через іншу напругу (${\displaystyle U_{x}}$ або ${\displaystyle U_{0}}$відповідно).

В якості змінного опору історично застосовували реохорд. Реохорд являв собою шматок натягнутого дроту постійного поперечного перерізу з трьома електричними виходами. Перші два виходи прикріплялися до кінців дроту, а третій (повзунок) міг переміщатися уздовж дроту. Електричний опір ${\displaystyle R}$ однорідного шматка дроту довжиною ${\displaystyle l}$ і постійного поперечного перерізу ${\displaystyle S}$ виражається за формулою ${\displaystyle R=\rho {\frac {l}{S}},}$ де ${\displaystyle \rho }$ — питомий електричний опір матеріалу дроту. Знаючи довжину дроту ${\displaystyle L}$, відстань ${\displaystyle l}$ від краю дроту до повзунка і напругу ${\displaystyle U_{0}}$ між кінцями дроту, можна визначити напругу ${\displaystyle U_{K}}$ (рівну ${\displaystyle U_{x}}$) між повзунком і кінцем дроту:

${\displaystyle U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{0}}}=-U_{0}{\frac {\rho {\frac {l}{S}}}{\rho {\frac {L}{S}}}}=-U_{0}{\frac {l}{L}}.}$

Реохорди, які представляють собою шматок дроту, в сучасних потенціометрах практично не застосовують, тільки іноді використовують в демонстраційних цілях. Сучасний реохорд є змінним резистором, зазвичай виконаним у вигляді одношарової спіральної намотки високоомного дроту на прямолінійний або тороїдальній підставці (каркасі). Назва «реохорд» в потенціометрах міцно закріпилася за цими змінними резисторами.

В якості джерела опорної напруги (ДОН) історично застосовувалися електрохімічні джерела стабільної в часі і відтворюваної напруги — нормальні електрохімічні елементи. В сучасних потенціометрах як джерела опорної напруги застосовують зазвичай напівпровідникові прецизійні іони — термокомпенсірованні стабілітрони і іони «забороненої зони».

Якщо навантаження джерела відомої напруги на резистивному розподільнику напруги неприпустимо, наприклад, в разі застосування джерел з високим внутрішнім опором, то з цього джерела попередньо калібрують інше джерело з досить малим внутрішнім опором.

При балансі напруг резистивного розподільника і опорної напруги струм через нуль-індикатор (гальванометр) дорівнює нулю. Таким чином, джерело опорної напруги працює при балансі в режимі холостого ходу, що дозволяє використовувати в якості джерел опорної напруги прецизійні джерела з високим внутрішнім опором, наприклад, нормальні електрохімічні елементи. Аналогічно, з цієї ж причини можливий вимір ЕРС джерел невідомої напруги з високим внутрішнім опором без спотворення результата вимірювання, наприклад, ЕРС електрохімічних потенціометричних датчиків.

При вимірюванні надмалих напруг (на рівні мікровольт — долі мілівольта) стає істотним спотворення результату вимірювання від термо-ЕРС «паразитних» термопар, що утворюються в точках електричного з'єднання різнорідних провідникових матеріалів (наприклад, мідних провідників і високоомних провідників змінних резисторів), якщо температура цих з'єднань (спаїв) не рівна. Без застосування спеціальних заходів значення паразитних термо-ЕРС можуть досягати десятків мікровольт. Наприклад, термо-ЕРС пари мідь — олов'яно — свинцевий припій становить близько 3-7 мк В/К, що при значенні вимірюваної напруги в одиниці-десятки мікровольт може дати відносну похибку вимірювання в кілька десятків відсотків, що зазвичай є неприпустимим. Тому при конструюванні подібних потенціометрів вдаються до спеціальних заходів для зниження паразитних термо-ЕРС. Радикальна міра — ретельна теплоізоляція приладу від зовнішнього середовища, іноді — термостатування. Для пайки електричних з'єднань застосовують припої, що дають малі термо-ЕРС в парі з міддю, наприклад, оловяно-кадмієві припої, термо-ЕРС яких в парі з міддю менше 0,3 мкВ/К.

Блок-схема потенціометра з автоматичною компенсацією (балансуванням). Позначення:
* Підсилювач неузгодженості схематично зображений у вигляді операційного підсилювача ;
* Джерело основної (відомої) напруги представлено у вигляді перекресленого кружечка;
* «M» — електродвигун для переміщення рухомого контакту (движка, повзунка) реохорда;
* ${\displaystyle U_{K}}$ — напруга, що знімається з реохорда;
* ${\displaystyle U_{x}}$ — напруга, яку потрібно визначити;
* ${\displaystyle U_{d}}$ — напруга неузгодженості

Крім вимірювальних потенціометрів, в яких балансування (зміна опорів резистивного подільника до досягнення рівності вимірюваної напруги і напруги, що знімається з реохорда) виконується вручну, існують потенціометри з автоматичним балансуванням. Автоматичні пристрої широко використовуються, наприклад, в самописних реєструючих приладах (самописці процесів на паперовій стрічці), які до цих пір поширені в системах управління виробничими процесами. Електромеханічні потенціометри поступово витісняються цифровими пристроями зберігання і відображення інформації.

Принцип дії автоматичних потенціометрів заснований на застосуванні стеження електромеханічного контуру автоматичного регулювання. Вимірювана напруга і напруга з движка реохорда подаються на диференціальний підсилювач неузгодженості, вихід якого через підсилювач потужності управляє реверсивним електродвигуном. Електродвигун через механічні елементи (троси, шестерні) переміщує движок реохорда в потрібну сторону так, щоб звести сигнал неузгодженості до нуля. Движок реохорда жорстко пов'язаний з вказівною стрілкою, яка переміщується по цифрованій в одиницях вимірюваної величини шкалі. Шкала не обов'язково повинна бути цифрована в одиницях напруги; наприклад, при роботі приладу в комплекті з будь-яким термоперетворювачем може бути цифрована в градусах температури; при роботі зі скляним електродом може бути цифрована в одиницях pH (pH-метр). У самописних приладах одночасно зі стрілкою переміщується перо по паперу. Перо креслить на папері лінію і тим самим реєструє зміну вимірюваної величини, зазвичай, в залежності від часу.

• Кузнецов В. А., Долгов В. А., Коневских В. М. и др. Измерения в электронике: Справочник / Под ред. В. А. Кузнецова. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — С. 30-35. (рос.)
• Справочник по электроизмерительным приборам / Под ред. К. К. Илюнина. — Л. : Энергоатомиздат, 1983. (рос.)