Часть 2. Потенциометр

Р

Рис. 6. Рис. 7.

ео­стат описанной выше конструкции, но включенный по другой схеме (рис. 6), называется делителем напряжения или потен­циомет­ром. Потенциометр дает возможность изменять ток и напря­жение на высокоомных потреби­телях. В качестве потенциометра ре­ос­тат подключается к источнику через нижние клеммы A и B, к которым подклю­чены концы обмотки реостата (рис. 1), а потребитель – через клем­му C, на которую выведен его ползунок D, и клеммы А или В.

Принцип действия потенциометра заключается в том, что напря­жение источника подводится ко всему реоста­ту, а на потребитель (нагрузку) снима­ется только часть этого напряжения. Эту часть можно изменять, переме­щая ползунок D от точки А до точки В. При этом напряжение на нагрузке U_н будет постепенно изменяться от нуля до напряжения источника. Напря­жение на потре­бителе может изменяться прямо пропорционально длине участка АС, но может иметь и более сложную зависимость. Характер этой зависимости U = f(l) определяется соотношением сопротивлений нагрузки R_н и потен­циометра R_пот. Если сопротив­ление нагрузки много больше сопротив­ле­ния потенциометра (R_н >> R_пот), то U_н будет прямо пропор­ционально длине l_АС (рис. 7, кривая 1). При соотношении R_н: R_пот = 10:1 аналогичная зависи­мость изображается почти прямой линией (кривая 2). При равенстве сопротивлений потенциометра и нагрузки (R_н: R_пот = 1:1) регули­ро­воч­ная кривая (кривая 3) заметно отли­чает­ся от линейной. Существенное откло­нение от линейной зависимости (кривая 4) наблюдается при соотноше­нии R_н: R_пот = 1:10. В этом случае, например, если ползунок D стоит посре­дине потенциометра, на нагрузку подается не половина, а лишь 1/7 часть напряжения источника. Кроме этого, при приближении ползунка D к точке B ток на участке CB потенциометра резко увеличивается, так как по этому участку идет и ток нагрузки I_н, который при данном соотно­шении сопротивления потенциометра и нагрузки (10:1) в не­сколь­ко раз превышает ток, текущий по участку AC. Этот ток может значительно превысить номинально допустимый ток через потенциометр и сжечь его витки на участке CB.

Теперь можно сформулировать требования к расчету и выбору реостата, включенного по схеме потенциометра:

1. Сопротивление потенциометра должно быть много меньше (R_пот<< R_н) сопротивления нагрузки. Это требование не обязательно, но при его невыполнении, дальнейший расчет значительно усложнится из-за необходимости учета тока через нагрузку. Термин "много меньше" означает хотя бы в 10 раз меньше, а лучше в 20, 30, … 50 или 100 и т.д.: чем меньше, тем лучше. Но сопротивление потенциометра не может быть очень малым, иначе не будут выполняться требования 2 и 3.

2. Потенциометр должен выдерживать напряжение источ­ника тока: (I_{ном/пот ×}R_пот) > U_ист. При этом ток, протекающий по потенциомет­ру при подаче на него напряжения источника (I_пот = U_uст /R_пот), должен быть меньше номинального тока потенциометра: I_пот < I_ном/noт .

3. Ток, протекающий через потенциометр (при подключении его к источнику тока) I_пот = U_uст /R_пот, не должен превышать номиналь­ного тока источника: I_пот < I_{ном/ист} .

4. Если первым трем условиям удовлетворяют несколько реостатов, то рекомендуется выбрать реостат с большим сопротивлением, так как он при этом будет потреблять меньший ток от источника тока. Это особенно важно при использовании гальванических элементов или аккумуляторов.

Рассмотрим пример выбора потенциометра: "Необходимо изменять напряжение на вакуумном диоде сопротивлением 20 кОм от нуля до 200 В. Источником тока в схеме является выпрямитель, дающий напряжение 250 В. Допустимый ток выпря­мителя –180 мА."

Для регулировки напряжения на вакуумном диоде воспользуемся потенциометром.

Требование 1. Сопротивление потенциометра должно быть много меньше 20 кОм. Это требование удовлетворить легко, так как все реостаты в ла­бо­ра­тории имеют сопротивление меньшее 20 кОм: подойдут реостаты с сопротивлением 2 кОм, 1 кОм, 500 Ом, 200 Ом. В этом случае соотношение сопротивлений будет, соответственно, равно 10:1, 20:1, 40:1, 100:1.

Требование 2. Напряжение источника 250 В выдержит не каждый реостат. Например, на реостат "200 Ом, 1 А" можно подать напря­же­ние не более 200 В. Этот реостат не подходит. Реостат "500 Ом, 0.6 А" выдерживает напряжение 300 В. Еще большее напряжение 400 В можно подать на реостат "1000 Ом, 0.4 А".

Но применять эти два реостаты нельзя, несмотря на то, что они удовлетворяют требованию 2, так как ни один из них не удовлетворяет тре­бованию 3.

Требование 3. Ток, проходящий через реостат с сопротивлением 1000 Ом от источника с напряжением 250 В, равен I = U_ист /R_пот = 250 В/1000 Ом = 0.25 А, т.е. 250 мА. Этот ток больше допустимого тока источника (I_{ист/доп} = 180 мА).

Можно сразу рассчитать наименьшее со­противление потенциометра, такое, чтобы ток от источника был меньше 180 мА (0.18 А):

R_пот > (U_ист /I_{ист/доп}) = (250 В/0.18А) > 1389 Ом.

Теперь ясно, что реостаты в 500 Ом и 1000 Ом, хотя они сами и выдержат напряжение источника, нельзя исполь­зовать, так как при этом в цепи пойдут токи, большие допустимого тока источника.

Возьмем реостат "1400 Ом, 0.4 А". Его сопротивление практически рав­но 1389 Ом, ток от источника будет потребляться чуть мень­ший, чем 180 мА, а именно: 250 В/1400 Ом = 0.179 А = 179 мА. При этом сам реостат выдержит и этот ток, и напряжение источника (требование 2). Однако, это наименьшее возможное значение сопротивления потен­циомет­ра, удовлетворяющее условиям задачи. Требование 1 (соотношение R_н: R_пот = 1:14) и требование 2 (I_{ном/пот ×}R_пот = 560 В > U_ист = 250 В) выполняются с хорошей гарантией. А вот требование 3 (ограничение по току источника) выполняется на пределе допустимого значения.

Возьмем реостат "1900 Ом, 0.4 А". Его сопротивление почти в 10 раз меньше 20 кОм, но больше, чем 1389 Ом. Ток в цепи источника меньше 180 мА: 250 В/1900 Ом = 0.13 А = 130 мА. При этом сам реостат выдерживает напряжение 760 В. Требования 3 и 4 теперь тоже выполнены с хорошей гарантией. Возможно также использование реостата с параметрами "2500 Ом, 0.2 А".

Отметим, что при расчете потенциометра, необходимо заранее знать параметры реостатов, находящихся в лабора­тории. Эти параметры приве­де­ны в таблице.

Таблица

№ п/п	Номиналь­ное сопро­тив­ле­ние, Ом	Допусти­мый ток, А	№ п/п	Номиналь­ное сопро­тив­ле­ние, Ом	Допусти­мый ток, А	№ п/п	Номиналь­ное сопро­тив­ле­ние, Ом	Допусти­мый ток, А
1	6	1	7	200	1	13	1400	0.4
2	12.5	5	8	260	0.55	14	1900	0.4
3	15	5	9	500	0.6	15	2500	0.2
4	22	3	10	580	0.6	16	3400	0.22
5	30	1.7	11	740	0.35	17	5000	0.2
6	100	2	12	1000	0.4	18	10000	0.1

Д

Рис. 8. Рис. 9.

ля особо плавной регулировки напряжения на потреби­теле при­меняют усложненные схемы делителей напряжения. На рис. 8 два потен­циометра соединены последовательно. Ес­ли при этом сопротивление R₁ в несколько раз больше со­противления R₂, то грубое регулирование осуществляется перемещением движка С₁, а плавное – движ­ком С₂.

На рис. 9 приведена еще одна схема соединения потенциометров. Ре­гу­ли­руемое напряжение с одного потенциометра R₁, подается на другой потен­циометр R₂, что позволяет с помощью последнего производить изменение напряжения на потребителе более плавно.

Сравнивая регулирование тока и напряжения с помощью реостата и потенциометра, следует отметить, что и тот, и другой позволяют получить на нагрузке напряжение, рав­ное или мень­шее напряжению источника, причем с помощью потенциометра можно плавно уменьшить напряжение до нуля, чего практи­чески не­возможно добиться с помощью реостата. Но при использовании по­тенциометра от источника потребляется ток, в нес­коль­ко раз больший, чем требуется нагрузке. При использовании же реостата ток от источ­ни­ка равен току нагрузки. По этим при­чинам реостат применяет­ся для регулировки тока и напряжения на низко­омных нагрузках, которые обычно потребляют сравнительно большие токи, а потенциометры – для высокоомных нагрузок, потребляющих, как правило, небольшие токи.