Potentiometer

Potentiometer ⓘ

Ein typisches Ein-Gang-Potentiometer
Typ	Passiv
Elektronisches Symbol
(IEC-Norm) (ANSI-Norm)

Ein Potentiometer ist ein Widerstand mit drei Anschlüssen und einem Schleif- oder Drehkontakt, der einen einstellbaren Spannungsteiler bildet. Wenn nur zwei Anschlüsse verwendet werden, ein Ende und der Schleifer, handelt es sich um einen variablen Widerstand oder Rheostat. ⓘ

Das als Potentiometer bezeichnete Messinstrument ist im Wesentlichen ein Spannungsteiler, der zur Messung des elektrischen Potenzials (Spannung) verwendet wird; das Bauteil ist eine Umsetzung desselben Prinzips, daher sein Name. ⓘ

Potentiometer werden häufig zur Steuerung elektrischer Geräte verwendet, z. B. als Lautstärkeregler bei Audiogeräten. Potentiometer, die durch einen Mechanismus betätigt werden, können als Positionsgeber verwendet werden, z. B. in einem Joystick. Potentiometer werden selten zur direkten Steuerung einer großen Leistung (mehr als ein Watt) verwendet, da die im Potentiometer verbrauchte Leistung mit der Leistung der gesteuerten Last vergleichbar ist. ⓘ

v. l. n. r.: zwei Trimmpotentiometer und ein Schiebesteller ⓘ

Drehwiderstand als Drehregler ⓘ

Schaltsymbole ⓘ
Europa
USA und Asien

Nomenklatur

In der Elektronikindustrie gibt es eine Reihe von Begriffen, die zur Beschreibung bestimmter Arten von Potentiometern verwendet werden:

• Schiebepotentiometer oder Schieberegler: ein Potentiometer, das durch Verschieben des Schleifers nach links oder rechts (oder nach oben und unten, je nach Installation), in der Regel mit einem Finger oder Daumen, eingestellt wird
• Daumenpotentiometer oder Daumenradpotentiometer: ein kleines, drehbares Potentiometer, das mit einem kleinen Daumenrad nur selten verstellt wird
• Trimmpotentiometer: ein Trimmpotentiometer, das typischerweise einmalig oder selten zur "Feinabstimmung" eines elektrischen Signals eingestellt wird ⓘ

Aufbau

Schnittzeichnung eines Potentiometers mit folgenden Teilen: (A) Welle, (B) stationäres Widerstandselement aus Kohlenstoff, (C) Schleifer aus Phosphorbronze, (D) Welle, die am Schleifer befestigt ist, (E, G) Klemmen, die mit den Enden des Widerstandselements verbunden sind, (F) Klemme, die mit dem Schleifer verbunden ist. Ein mechanischer Anschlag (H) verhindert die Drehung über die Endpunkte hinaus. ⓘ

Potentiometer mit einer Umdrehung, bei dem das Metallgehäuse entfernt wurde, um die Schleiferkontakte und die Widerstandsbahn freizulegen ⓘ

Potentiometer bestehen aus einem Widerstandselement, einem Schleifkontakt (Schleifer), der sich entlang des Elements bewegt und dabei einen guten elektrischen Kontakt mit einem Teil des Elements herstellt, elektrischen Anschlüssen an jedem Ende des Elements, einem Mechanismus, der den Schleifer von einem Ende zum anderen bewegt, und einem Gehäuse, das das Element und den Schleifer enthält. ⓘ

Viele preiswerte Potentiometer bestehen aus einem Widerstandselement (B in der Schnittzeichnung), das zu einem Kreisbogen geformt ist, in der Regel etwas weniger als eine volle Umdrehung, und einem Schleifer (C), der auf diesem Element gleitet, wenn es gedreht wird, und so den elektrischen Kontakt herstellt. Das Widerstandselement kann flach oder abgewinkelt sein. Jedes Ende des Widerstandselements ist mit einer Klemme (E, G) des Gehäuses verbunden. Der Schleifer ist mit einer dritten Klemme (F) verbunden, die normalerweise zwischen den beiden anderen liegt. Bei Schalttafelpotentiometern ist der Schleifer in der Regel die mittlere von drei Klemmen. Bei Eingangspotentiometern bewegt sich dieser Schleifer normalerweise knapp eine Umdrehung um den Kontakt. Der einzige Punkt, an dem Verunreinigungen eindringen können, ist der enge Raum zwischen der Welle und dem Gehäuse, in dem sie rotiert. ⓘ

Ein anderer Typ ist das lineare Schiebepotentiometer, bei dem der Schleifer entlang eines linearen Elements gleitet, anstatt sich zu drehen. Verunreinigungen können überall entlang des Schlitzes, in dem sich der Schieber bewegt, eindringen, was eine wirksame Abdichtung erschwert und die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Ein Vorteil des Schieberpotentiometers ist, dass die Position des Schiebers eine visuelle Anzeige seiner Einstellung liefert. Während die Einstellung eines Drehpotentiometers an der Position einer Markierung auf dem Knopf abgelesen werden kann, kann eine Reihe von Schiebereglern einen visuellen Eindruck der Einstellungen vermitteln, wie bei einem grafischen Equalizer oder den Fadern eines Mischpults. ⓘ

Das Widerstandselement von preiswerten Potentiometern besteht häufig aus Graphit. Andere Materialien sind Widerstandsdraht, Kohlenstoffpartikel in Kunststoff und ein Keramik-Metall-Gemisch namens Cermet. Bei Leiterbahnpotentiometern werden leitfähige Polymerwiderstandspasten verwendet, die neben dem Kohlenstoff, der für die leitenden Eigenschaften sorgt, auch strapazierfähige Harze und Polymere, Lösungsmittel und Schmiermittel enthalten. ⓘ

Trimmpotentiometer für die Leiterplattenmontage oder "Trimpots", die für seltene Einstellungen vorgesehen sind ⓘ

Elektronisches Symbol für ein voreingestelltes Potentiometer ⓘ

Multiturn-Potentiometer werden ebenfalls durch Drehen einer Welle betätigt, allerdings um mehrere Umdrehungen und nicht um weniger als eine volle Umdrehung. Einige Multiturn-Potentiometer haben ein lineares Widerstandselement mit einem Gleitkontakt, der von einer Leitspindel bewegt wird; andere haben ein spiralförmiges Widerstandselement und einen Schleifer, der sich um 10, 20 oder mehr vollständige Umdrehungen dreht und sich dabei entlang der Spirale bewegt. Multiturn-Potentiometer, die sowohl vom Benutzer bedient als auch voreingestellt werden können, ermöglichen eine feinere Einstellung; eine Drehung um denselben Winkel verändert die Einstellung in der Regel um ein Zehntel im Vergleich zu einem einfachen Drehpotentiometer. ⓘ

Ein Schnurpotentiometer ist ein Potentiometer mit mehreren Umdrehungen, das durch eine angebrachte Drahtspule betätigt wird, die sich gegen eine Feder dreht, wodurch es eine lineare Position in einen variablen Widerstand umwandeln kann. ⓘ

Für den Benutzer zugängliche Drehpotentiometer können mit einem Schalter ausgestattet werden, der in der Regel gegen den Uhrzeigersinn arbeitet. Bevor sich die digitale Elektronik durchsetzte, wurde ein solches Bauteil verwendet, um Radio- und Fernsehempfänger und andere Geräte mit einem hörbaren Klicken bei minimaler Lautstärke einzuschalten und dann die Lautstärke durch Drehen eines Knopfes zu erhöhen. Mehrere Widerstandselemente können mit ihren Schleifkontakten auf derselben Welle zusammengeschaltet werden, z. B. in Stereo-Audioverstärkern zur Lautstärkeregelung. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. Lichtdimmern im Haushalt, ist es für den normalen Gebrauch am besten, wenn das Potentiometer in seiner aktuellen Stellung bleibt, so dass der Schalter durch axiales Drücken des Knopfes abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. ⓘ

Andere Potentiometer befinden sich im Gerät und sind dazu bestimmt, während der Herstellung oder Reparatur zur Kalibrierung des Geräts eingestellt zu werden, und werden ansonsten nicht berührt. Sie sind in der Regel wesentlich kleiner als die für den Benutzer zugänglichen Potentiometer und müssen möglicherweise mit einem Schraubendreher bedient werden, anstatt einen Knopf zu haben. Sie werden in der Regel als "Preset-Potentiometer" oder "Trimm-Potis" bezeichnet. Einige Preset-Potentiometer sind mit einem kleinen Schraubendreher zugänglich, der durch ein Loch im Gehäuse gesteckt wird, damit sie ohne Demontage gewartet werden können. ⓘ

Verhältnis zwischen Widerstand und Position: "Kegel"

Größenskalierte 10k- und 100k-Potentiometer, die traditionelle Halterungen und Knopfschäfte mit neueren und kleineren elektrischen Baugruppen kombinieren. Das "B" kennzeichnet einen linearen (USA/Asien) Kegel. ⓘ

Das Verhältnis zwischen Schiebereglerposition und Widerstand, bekannt als "Taper" oder "Law", wird vom Hersteller festgelegt. Im Prinzip ist jedes Verhältnis möglich, aber für die meisten Zwecke sind lineare oder logarithmische (auch als "Audio Taper" bezeichnete) Potentiometer ausreichend. ⓘ

Ein Buchstabencode kann verwendet werden, um zu erkennen, welcher Kegel verwendet wird, aber die Definitionen der Buchstabencodes sind nicht genormt. In Asien und den USA hergestellte Potentiometer sind in der Regel mit einem "A" für logarithmische Verjüngung oder einem "B" für lineare Verjüngung gekennzeichnet; "C" für die seltene umgekehrte logarithmische Verjüngung. Andere, insbesondere die aus Europa, können mit einem "A" für lineare Verjüngung, einem "C" oder "B" für logarithmische Verjüngung oder einem "F" für umgekehrte logarithmische Verjüngung gekennzeichnet sein. Auch der verwendete Code variiert von Hersteller zu Hersteller. Wenn bei einem nichtlinearen Kegel ein Prozentsatz angegeben wird, bezieht er sich auf den Widerstandswert in der Mitte der Wellendrehung. Ein logarithmischer Kegel von 10 % würde also 10 % des Gesamtwiderstands in der Mitte der Drehung messen; d. h. ein logarithmischer Kegel von 10 % auf einem 10-kOhm-Potentiometer würde 1 kOhm in der Mitte ergeben. Je höher der Prozentsatz, desto steiler ist die logarithmische Kurve. ⓘ

Potentiometer mit linearer Verjüngung

Ein lineares Kegelpotentiometer (linear beschreibt die elektrische Charakteristik des Geräts, nicht die Geometrie des Widerstandselements) hat ein Widerstandselement mit konstantem Querschnitt, was zu einem Gerät führt, bei dem der Widerstand zwischen dem Kontakt (Schleifer) und einer Endklemme proportional zum Abstand zwischen ihnen ist. Lineare Kegelpotentiometer werden verwendet, wenn das Teilungsverhältnis des Potentiometers proportional zum Drehwinkel der Welle (oder zur Position des Schiebers) sein muss, z. B. für die Einstellung der Zentrierung der Anzeige eines analogen Kathodenstrahl-Oszilloskops. Präzisionspotentiometer haben ein genaues Verhältnis zwischen Widerstand und Schiebereglerposition.

Beckman Helipot-Präzisionspotentiometer ⓘ

Logarithmisches Potentiometer

Ein logarithmisches Kegelpotentiometer ist ein Potentiometer, bei dem eine Vorspannung in das Widerstandselement eingebaut ist. Grundsätzlich bedeutet dies, dass die Mittelstellung des Potentiometers nicht die Hälfte des Gesamtwerts des Potentiometers beträgt. Das Widerstandselement ist so konstruiert, dass es einem logarithmischen Kegel folgt, auch bekannt als mathematischer Exponent oder "quadratisches" Profil. Ein logarithmisches Kegelpotentiometer besteht aus einem Widerstandselement, das sich entweder von einem Ende zum anderen "verjüngt" oder aus einem Material besteht, dessen Widerstand von einem Ende zum anderen variiert. Dies führt zu einem Gerät, bei dem die Ausgangsspannung eine logarithmische Funktion der Schieberstellung ist. ⓘ

Die meisten (billigeren) "Log"-Potentiometer sind nicht genau logarithmisch, sondern verwenden zwei Bereiche mit unterschiedlichem Widerstand (aber konstantem Widerstand), um ein logarithmisches Gesetz anzunähern. Die beiden Widerstandsbahnen überschneiden sich bei etwa 50 % der Potentiometerumdrehung; dies ergibt eine stufenweise logarithmische Verjüngung. Ein logarithmisches Potentiometer kann auch (nicht sehr genau) mit einem linearen Potentiometer und einem externen Widerstand simuliert werden. Echte logarithmische Potentiometer sind wesentlich teurer. ⓘ

Logarithmische Kegelpotentiometer werden häufig für die Lautstärke oder den Signalpegel in Audiosystemen verwendet, da die menschliche Wahrnehmung der Lautstärke gemäß dem Weber-Fechner-Gesetz logarithmisch ist. ⓘ

Bei Schichtpotentiometern besteht das Widerstandsmaterial aus einer Kohleschicht, einer Metallschicht, einer Cermet-Schicht oder einem leitenden Kunststoff (Leitplastik). Der Widerstandsträger von Schichtpotentiometern ist meist kreissegmentförmig, kann jedoch bei Schiebepotentiometern (Schiebereglern) auch gestreckt sein. ⓘ

Es gibt Schichtpotentiometer mit linear vom Drehwinkel abhängigem Widerstandsverhältnis und solche mit näherungsweise logarithmischer Kennlinie. Letztere sind besonders vorteilhaft, wenn der Einstellbereich mehrere Größenordnungen überstreicht (z. B. Lautstärkesteller). ⓘ

Verschiedene Trimmer ⓘ

Neben unterschiedlichen Einstellkennlinien gibt es noch Regler mit Zwischen-Abgriffen. Üblich sind Zwischenabgriffe bei

• 50 %,
• 25 % und 50 %, sowie
• 25 %, 50 % und 75 %. ⓘ

Drehpotentiometer mit kleinem Drehwinkel werden in Joysticks eingesetzt. ⓘ

Kontaktloses Potentiometer

Im Gegensatz zu mechanischen Potentiometern verwenden berührungslose Potentiometer eine optische Scheibe, um einen Infrarotsensor auszulösen, oder einen Magneten, um einen magnetischen Sensor auszulösen (solange es andere Arten von Sensoren gibt, wie z. B. kapazitive, können wahrscheinlich auch andere Arten von berührungslosen Potentiometern gebaut werden), und dann übernimmt eine elektronische Schaltung die Signalverarbeitung, um ein Ausgangssignal zu liefern, das analog oder digital sein kann. ⓘ

Ein Beispiel für ein berührungsloses Potentiometer ist der integrierte Schaltkreis AS5600. Aber auch absolute Encoder müssen nach ähnlichen Prinzipien arbeiten, obwohl sie für den industriellen Gebrauch bestimmt sind und die Kosten für den Einsatz in Haushaltsgeräten sicher nicht tragbar sind. ⓘ

Rheostat

Die gebräuchlichste Art, den Widerstand in einem Stromkreis kontinuierlich zu verändern, ist die Verwendung eines Rheostats. Er wird im Wesentlichen dazu verwendet, die Stromstärke in einem Stromkreis durch Änderung der Länge zu regulieren. Das Wort Rheostat wurde um 1845 von Sir Charles Wheatstone geprägt, aus dem Griechischen ῥέος rheos, was "Strom" bedeutet, und -στάτης -states (von ἱστάναι histanai, "einstellen, zum Stehen bringen"), was "Einsteller, Regelgerät" bedeutet, das ein zweipoliger veränderlicher Widerstand ist. Der Begriff "Rheostat" ist veraltet und wurde durch den allgemeinen Begriff "Potentiometer" ersetzt. Für Anwendungen mit geringer Leistung (weniger als etwa 1 Watt) wird häufig ein Potentiometer mit drei Anschlüssen verwendet, wobei ein Anschluss nicht angeschlossen oder mit dem Schleifer verbunden ist. ⓘ

Wenn der Rheostat für eine höhere Leistung (mehr als 1 Watt) ausgelegt sein muss, kann er mit einem um einen halbkreisförmigen Isolator gewickelten Widerstandsdraht gebaut werden, wobei der Schleifer von einer Windung des Drahtes zur nächsten gleitet. Manchmal wird ein Rheostat aus einem auf einen hitzebeständigen Zylinder gewickelten Widerstandsdraht hergestellt, wobei der Schleifer aus einer Reihe von Metallfingern besteht, die leicht in einen kleinen Teil der Windungen des Widerstandsdrahtes greifen. Die "Finger" können mit einem Schiebeknopf entlang der Widerstandsdrahtspule bewegt werden, wodurch sich der "Abgriff" ändert. Drahtgewickelte Rheostate mit Leistungen bis zu mehreren tausend Watt werden in Anwendungen wie Gleichstrommotorantrieben, elektrischen Schweißsteuerungen oder in der Steuerung von Generatoren eingesetzt. Die Nennleistung des Rheostats wird mit dem vollen Widerstandswert angegeben, und die zulässige Verlustleistung ist proportional zum Bruchteil des gesamten Gerätewiderstands im Stromkreis. Kohlepfahl-Rheostate werden als Lastbänke zum Testen von Autobatterien und Stromversorgungen verwendet. ⓘ

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  Charles Wheatstones Rheostat aus dem Jahr 1843 mit einem Metall- und einem Holzzylinder

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  Charles Wheatstones Rheostat von 1843 mit einem beweglichen Schnurrhaar

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  Elektronisches Symbol für Rheostat

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  Elektronisches Symbol für einen voreingestellten Rheostat

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  Ein drahtgewickeltes Hochleistungspotentiometer ⓘ

Zehngängiges Tandem-Wendelpotentiometer der Firma Gamma aus Budapest (zerlegt, vorn die beiden Schleifer, hinten die beiden Wendeln) ⓘ

Drahtpotentiometer haben eine toroidförmige, schraubenförmige Wicklung aus Widerstandsdraht auf einem Isolierkörper (meist aus keramischem Werkstoff), deshalb auch Keramik-Potentiometer genannt. Diese Bauform wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine hohe Verlustleistung in dem Bauteil umgesetzt werden muss, und damit eine höhere Temperatur entsteht. Diese Bauteile werden vor allem im englischen Sprachraum auch Rheostat genannt; streng genommen ist ein Rheostat ein veränderbarer Widerstand mit zwei Anschlüssen, während ein Potentiometer (wie eingangs erwähnt) einen Spannungsteiler darstellt, der drei Anschlüsse hat. ⓘ

Digitales Potentiometer

Ein digitales Potentiometer (oft Digipot genannt) ist ein elektronisches Bauteil, das die Funktionen eines analogen Potentiometers nachahmt. Durch digitale Eingangssignale kann der Widerstand zwischen zwei Anschlüssen wie bei einem analogen Potentiometer eingestellt werden. Es gibt zwei Hauptfunktionstypen: flüchtige, die ihre eingestellte Position verlieren, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, und die in der Regel so konzipiert sind, dass sie in der Minimalposition initialisiert werden, und nichtflüchtige, die ihre eingestellte Position mit Hilfe eines Speichermechanismus ähnlich dem Flash-Speicher oder EEPROM beibehalten. ⓘ

Die Verwendung eines Digipots ist weitaus komplexer als die eines einfachen mechanischen Potentiometers, und es sind viele Einschränkungen zu beachten; dennoch sind sie weit verbreitet und werden häufig für die werksseitige Einstellung und Kalibrierung von Geräten verwendet, insbesondere dort, wo die Einschränkungen mechanischer Potentiometer problematisch sind. Ein Digipot ist im Allgemeinen gegen die Auswirkungen mäßiger langfristiger mechanischer Vibrationen oder Umweltverschmutzung in gleichem Maße immun wie andere Halbleiterbauelemente und kann elektronisch gegen unbefugte Manipulationen gesichert werden, indem der Zugang zu seinen Programmiereingängen durch verschiedene Mittel geschützt wird. ⓘ

In Geräten, die mit einem Mikroprozessor, FPGA oder einer anderen funktionalen Logik ausgestattet sind, die Einstellungen speichern und bei jedem Einschalten des Geräts wieder in das "Potentiometer" laden kann, kann anstelle eines Digipotentiometers ein multiplizierender DAC verwendet werden, der eine höhere Auflösung der Einstellungen, eine geringere Drift mit der Temperatur und eine größere Betriebsflexibilität bieten kann. ⓘ

Es gibt auch ICs, bei denen die Widerstände in OGR-Anordnung sind. Das spart ungemein an Widerständen, für eine leicht erhöhte Ansteuerungslogik. Bei großen Widerstandsbandbreiten mit kleinen Schrittlängen ist das ziemlich nützlich. Es gibt auch noch verschiedene andere ähnliche Anordnungen (z. B. die sehr beliebte Zweierpotenzanordnung, bei der man den gewünschten Widerstandswert nur als Binärzahl anzugeben braucht). ⓘ

Membranpotentiometer

Ein Membranpotentiometer verwendet eine leitfähige Membran, die durch ein Gleitelement verformt wird, um einen Widerstandsspannungsteiler zu kontaktieren. Die Linearität kann je nach Material, Konstruktion und Herstellungsverfahren zwischen 0,50 % und 5 % liegen. Die Wiederholgenauigkeit liegt typischerweise zwischen 0,1 mm und 1,0 mm mit einer theoretisch unendlichen Auflösung. Die Lebensdauer dieser Art von Potentiometern beträgt typischerweise 1 Million bis 20 Millionen Zyklen, abhängig von den bei der Herstellung verwendeten Materialien und der Betätigungsmethode; es gibt kontaktbehaftete und kontaktlose (magnetische) Methoden (zur Positionserfassung). Es sind viele verschiedene Materialvarianten erhältlich, wie PET, FR4 und Kapton. Hersteller von Membranpotentiometern bieten lineare, rotierende und anwendungsspezifische Varianten an. Die linearen Versionen können zwischen 9 mm und 1000 mm lang sein, die rotierenden Versionen haben einen Durchmesser von 20 bis 450 mm und eine Höhe von jeweils 0,5 mm. Für die Positionserfassung können Membranpotentiometer eingesetzt werden. ⓘ

Bei Touchscreen-Geräten mit resistiver Technologie liefert ein zweidimensionales Membranpotentiometer die x- und y-Koordinaten. Die obere Schicht besteht aus dünnem Glas, das in geringem Abstand zu einer benachbarten inneren Schicht angeordnet ist. Die Unterseite der oberen Schicht ist mit einer transparenten leitfähigen Beschichtung versehen, die Oberfläche der darunter liegenden Schicht mit einer transparenten resistiven Beschichtung. Ein Finger oder Stift verformt das Glas, um die darunter liegende Schicht zu berühren. Die Ränder der Widerstandsschicht sind mit leitenden Kontakten versehen. Die Kontaktstelle wird durch Anlegen einer Spannung an gegenüberliegende Kanten gefunden, wobei die beiden anderen Kanten vorübergehend nicht angeschlossen sind. Die Spannung der obersten Schicht liefert eine Koordinate. Wenn man diese beiden Kanten abtrennt und an die beiden anderen, vorher nicht verbundenen Kanten eine Spannung anlegt, erhält man die andere Koordinate. Ein schneller Wechsel zwischen den Kantenpaaren sorgt für häufige Positionsaktualisierungen. Ein Analog-Digital-Wandler liefert die Ausgangsdaten. ⓘ

Die Vorteile solcher Sensoren liegen darin, dass nur fünf Anschlüsse zum Sensor benötigt werden und die zugehörige Elektronik vergleichsweise einfach ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass jedes Material, das die obere Schicht über einen kleinen Bereich eindrückt, gut funktioniert. Ein Nachteil ist, dass eine ausreichende Kraft aufgebracht werden muss, um den Kontakt herzustellen. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Sensor gelegentlich kalibriert werden muss, um die Berührungsposition an das darunter liegende Display anzupassen. (Kapazitive Sensoren erfordern keine Kalibrierung oder Kontaktkraft, sondern nur die Nähe eines Fingers oder eines anderen leitenden Objekts. Sie sind jedoch wesentlich komplexer.) ⓘ

Anwendungen

Potentiometer werden nur selten zur direkten Steuerung größerer Leistungsmengen (mehr als ein Watt oder so) verwendet. Stattdessen werden sie zur Einstellung des Pegels analoger Signale (z. B. zur Lautstärkeregelung von Audiogeräten) und als Steuereingänge für elektronische Schaltungen verwendet. Ein Lichtdimmer beispielsweise verwendet ein Potentiometer, um das Schalten eines TRIACs zu steuern und so indirekt die Helligkeit von Lampen zu regeln. ⓘ

Voreingestellte Potentiometer sind in der Elektronik weit verbreitet, wo immer bei der Herstellung oder Wartung Einstellungen vorgenommen werden müssen. ⓘ

Benutzergesteuerte Potentiometer werden häufig als Bedienelemente verwendet und können eine Vielzahl von Gerätefunktionen steuern. Der weit verbreitete Einsatz von Potentiometern in der Unterhaltungselektronik ging in den 1990er Jahren zurück, und heute sind Inkrementalgeber, Auf-/Ab-Tasten und andere digitale Bedienelemente üblicher. Sie werden jedoch nach wie vor in vielen Anwendungen eingesetzt, z. B. als Lautstärkeregler und als Positionssensoren. ⓘ

Audio-Steuerung

Schiebepotentiometer (Fader) ⓘ

Potentiometer mit geringer Leistung, sowohl Schiebe- als auch Drehpotentiometer, werden zur Steuerung von Audiogeräten verwendet, um Lautstärke, Frequenzdämpfung und andere Eigenschaften von Audiosignalen zu verändern. ⓘ

Das "Log-Potentiometer", d. h. ein Potentiometer mit einem Widerstand, einer Verjüngung oder einer "Kurve" (oder einem Gesetz) in logarithmischer Form, wird als Lautstärkeregler in Audio-Leistungsverstärkern verwendet, wo es auch als "Audio-Taper-Potentiometer" bezeichnet wird, da die Amplitudenantwort des menschlichen Ohrs annähernd logarithmisch ist. Er sorgt dafür, dass bei einem Lautstärkeregler, der mit 0 bis 10 gekennzeichnet ist, beispielsweise eine Einstellung von 5 subjektiv halb so laut klingt wie eine Einstellung von 10. Es gibt auch ein Antilog-Potentiometer oder ein umgekehrtes Audio-Taper, das einfach das Gegenteil eines logarithmischen Potentiometers ist. Es wird fast immer zusammen mit einem logarithmischen Potentiometer verwendet, z. B. in einer Audio-Balance-Regelung. ⓘ

Potentiometer, die in Kombination mit Filternetzwerken verwendet werden, dienen als Klangregler oder Equalizer. ⓘ

In der Audiotechnik wird der Begriff "linear" manchmal verwirrend verwendet, um Schiebepotentiometer zu beschreiben, weil die physikalische Schiebebewegung geradlinig ist. Das Wort linear, wenn es auf ein Potentiometer angewendet wird, unabhängig davon, ob es sich um einen Schiebe- oder Drehpotentiometer handelt, beschreibt eine lineare Beziehung zwischen der Position des Potentiometers und dem gemessenen Wert des Abgriffs (Schleifer oder elektrischer Ausgang) des Potentiometers. ⓘ

Das Bauteil an sich, soweit es wenigstens drei Anschlüsse hat, wird immer Potentiometer genannt, unabhängig davon, wofür oder wie es in der Schaltung verwendet wird. Also auch unabhängig davon, wie es beschaltet wird und ob alle drei Anschlüsse verwendet werden, ob es also als Spannungsteiler verwendet wird oder nur zwei Anschlüsse verwendet werden und es damit nur als veränderbarer Widerstand dient. Obwohl für etliche Substantive mit der Endung -meter neben dem Neutrum auch das Maskulinum möglich und gebräuchlich ist, gilt für das Potentiometer ausschließlich das Neutrum („das Potentiometer“). ⓘ

Fernsehen

Potentiometer wurden früher zur Steuerung von Bildhelligkeit, Kontrast und Farbwiedergabe verwendet. Ein Potentiometer wurde häufig zur Einstellung des "vertikalen Halts" verwendet, der die Synchronisation zwischen dem internen Wobbelkreis des Empfängers (manchmal ein Multivibrator) und dem empfangenen Bildsignal beeinflusste, zusammen mit anderen Dingen wie dem Audio-Video-Träger-Offset, der Abstimmfrequenz (bei Druckknopfgeräten) und so weiter. Sie hilft auch bei der Frequenzmodulation von Wellen. ⓘ

Bewegungssteuerung

Potentiometer können als Positionsrückmelder verwendet werden, um einen geschlossenen Regelkreis zu schaffen, z. B. in einem Servomechanismus. Diese Methode der Bewegungssteuerung ist die einfachste Methode zur Messung des Winkels oder der Verschiebung. ⓘ

Messwandler

Potentiometer werden auch sehr häufig als Teil von Wegaufnehmern verwendet, da sie einfach aufgebaut sind und ein großes Ausgangssignal liefern können. ⓘ

Berechnungen

In Analogrechnern werden hochpräzise Potentiometer verwendet, um Zwischenergebnisse mit gewünschten konstanten Faktoren zu skalieren oder um die Ausgangsbedingungen für eine Berechnung festzulegen. Ein motorgetriebenes Potentiometer kann als Funktionsgenerator verwendet werden, der mit Hilfe einer nichtlinearen Widerstandskarte Näherungswerte für trigonometrische Funktionen liefert. So kann beispielsweise die Wellendrehung einen Winkel darstellen, und das Spannungsteilungsverhältnis kann proportional zum Kosinus des Winkels gemacht werden. ⓘ

Funktionsprinzip

Ein Potentiometer mit einer ohmschen Last, zur Verdeutlichung mit äquivalenten Festwiderständen. ⓘ

Das Potentiometer kann als Spannungsteiler verwendet werden, um aus einer festen Eingangsspannung, die an den beiden Enden des Potentiometers anliegt, eine manuell einstellbare Ausgangsspannung am Schieber (Schleifer) zu erhalten. Dies ist ihre häufigste Verwendung. ⓘ

Die Spannung über R_L kann wie folgt berechnet werden:

$$V_{\mathrm {L} }={R_{2}R_{\mathrm {L} } \over R_{1}R_{\mathrm {L} }+R_{2}R_{\mathrm {L} }+R_{1}R_{2}}\cdot V_{s}.$$

ⓘ

Wenn R_L im Vergleich zu den anderen Widerständen groß ist (wie der Eingang eines Operationsverstärkers), kann die Ausgangsspannung durch die einfachere Gleichung angenähert werden:

$$V_{\mathrm {L} }={R_{2} \over R_{1}+R_{2}}\cdot V_{s}.$$

(durchgängig durch R_L dividieren und Terme mit R_L im Nenner streichen) ⓘ

Nehmen wir als Beispiel an $V_{\mathrm {S} }=10\ \mathrm {V}$, $R_{1}=1\ \mathrm {k\Omega }$, $R_{2}=2\ \mathrm {k\Omega }$und $R_{\mathrm {L} }=100\ \mathrm {k\Omega } .$ ⓘ

Da der Lastwiderstand im Vergleich zu den anderen Widerständen groß ist, wird die Ausgangsspannung VL ungefähr sein:

$${2\ \mathrm {k\Omega } \over 1\ \mathrm {k\Omega } +2\ \mathrm {k\Omega } }\cdot 10\ \mathrm {V} ={2 \over 3}\cdot 10\ \mathrm {V} \approx 6.667\ \mathrm {V} .$$

ⓘ

Wegen des Lastwiderstandes wird sie jedoch in Wirklichkeit etwas niedriger sein: ≈ 6,623 V. ⓘ

Einer der Vorteile des Spannungsteilers im Vergleich zu einem variablen Widerstand in Reihe mit der Quelle ist, dass variable Widerstände einen maximalen Widerstand haben, bei dem immer ein gewisser Strom fließt, während Spannungsteiler in der Lage sind, die Ausgangsspannung vom Maximum (VS) bis zur Masse (Null Volt) zu variieren, wenn sich der Schleifer von einem Ende des Potentiometers zum anderen bewegt. Es bleibt jedoch immer ein kleiner Übergangswiderstand bestehen. ⓘ

Außerdem ist der Lastwiderstand oft nicht bekannt, so dass das einfache Schalten eines variablen Widerstands in Reihe mit der Last je nach Last einen vernachlässigbaren oder einen übermäßigen Effekt haben kann. ⓘ

Elektrische Beschaltung

Je nach äußerer Beschaltung ergibt sich ein

• verstellbarer Widerstand,
• verstellbarer Spannungsabgriff (Spannungsteiler) oder
• bei nennenswerter Belastung am Ausgang – ein sogenannter belasteter Spannungsteiler. ⓘ

Nur bei der Schaltung als Spannungsteiler liegt jedoch die namensgebende Potentiometerschaltung vor.
Dabei wird über den Mittel-Anschluss eine Teil-Spannung (Potentialdifferenz) abgegriffen. ⓘ

Berechnung

Die Berechnung erfolgt entsprechend einer Reihen-Schaltung (auch Serien-Schaltung genannt). ⓘ

Bauformen

Schiebepotentiometer, auch Fader genannt ⓘ

Potentiometer existieren in zahlreichen Bauformen, die im Folgenden erläutert werden. ⓘ

Mehrgang-Potentiometer

erlauben mehr als eine Umdrehung des Drehrades.
Dazu ist der Draht in Form einer Doppelwendel auf einem gewendelten Isolierkörper untergebracht. Daher auch Wendelpotentiometer genannt. Diese Wendel, sowie der Antrieb des Schleifers wie eine Mutter auf einer Schraube erlauben mehrere Umdrehungen (z. B. fünf oder zehn Umdrehungen, z. B. Zehngangpotentiometer genannt).
Verwendung z. B. in Sendern und Empfängern, um die Frequenz (genau!!) einstellen zu können. ⓘ

Eine besondere Bauform ist dabei die Kombination von zwei solcher Potis zu einem Tandem-Wendelpotentiometer. Siehe Foto. ⓘ

Trimmpotentiometer

Trimmer sind für den Abgleich einer Schaltung gedacht und haben meist nur einen Schraubendreherschlitz. Sie werden einmal eingestellt und gegebenenfalls mit Lack fixiert. ⓘ

Im industriellen Bereich und in der Messtechnik finden auch mehrgängige Trimmer (sogenannte Spindeltrimmer) Einsatz. Bei diesen wird entweder eine Linearbewegung mit einem Spindeltrieb oder eine Drehbewegung mit einem Schneckentrieb (also: wie mit einer Mutter auf einer Schraube) erzeugt. ⓘ

Tandem-Potentiometer

Tandem-Potentiometer
(hier auf einer Leiterplatte) ⓘ

Bei einem Tandem-Potentiometer (auch Mehrfachpotentiometer genannt) sind zwei Potentiometer (elektrisch voneinander getrennt) hintereinander auf einer Achse angebracht. ⓘ

Für die Betätigung gibt es zwei Bauarten:

• Mit einem Drehrad: der beide Potis gleichzeitig betätigt oder
• mit zwei Dreh-Elementen, die eine getrennte Einstellung ermöglichen. Diese sitzen vor einander, wobei sich dann ein kleinerer Drehknopf vor einem Größeren Drehrad befindet. Das größere Drehrad hat eine 6 mm Welle und das kleinere eine 4 mm Welle. Die dünnere Welle wird dabei durch die dickere, hohle Welle geführt. Siehe Bild. ⓘ

Tandem-Potentiometer werden beispielsweise zur gleichzeitigen Lautstärkeeinstellung der beiden Kanäle eines Stereoverstärkers eingesetzt und werden dann Stereopotentiometer genannt. ⓘ

Es gab aber auch Ausführungen mit zwei verschiedenen Aufgaben auf einer Achse, etwa: Lautstärke und Klang, deren Potis dann auch verschiedene Nenn-Widerstände hatten. ⓘ

Dreh-Potentiometer mit Schalter

Es gibt auch Dreh-Potentiometer mit Schalter, gewöhnlich zum Ein/Aus-Schalten des Gerätes. ⓘ

Motorgesteuerte Potentiometer

Motorgesteuerte Potentiometer wurden erstmals in sehr teuren Studiomischpulten verwendet. In diesen Pulten hat jeder Regler einen Motor. So kann man die Einstellungen aller Schieber speichern und mittels Steuer-Programm wiederherstellen. Derzeit befinden sich auch in weniger kostspieligen Digitalmischpulten Motorpotentiometer, allerdings in wesentlich geringerer Zahl. ⓘ

High-End-HiFi-Verstärker besitzen oft Motorpotentiometer zur fern-gesteuerten Lautstärkeeinstellung, um die Länge der Ton-Leitungen zu verkürzen, und dadurch die Einstreuungen zu verkleinern. ⓘ

Folienpotentiometer

Siehe Folienpotentiometer. ⓘ

Weitere Merkmale

Dreh- oder Schiebe-Ausführung

Leistungspotentiometer 500 Ohm / 100 Watt; Schleifkontakt (unten) aus Graphit ⓘ

Potentiometer gibt es als Bedienelement mit einer Welle für einen Drehregler oder als Schiebepotentiometer (z. B. an Mischpulten und in Tonstudios). ⓘ

Verwendung als Ist-Wert-Geber

Besonders präzise Potentiometer werden auch zur Weg- oder Winkelmessung (Weggeber, Winkelgeber) eingesetzt, siehe Potentiometergeber. ⓘ

Ausführung der Anschlüsse

Potentiometer gibt es mit verschiedenen Anschluss-Arten wie:

• Lötfahnen,
• Stecker,
• Klemmen,
• oberflächenverlötbares Bauelement direkt auf der Leiterplatte (engl.: SMD Surface Mounted Device) oder
• durch Leiterplattenbohrungen und auf der Gegenseite verlötet als Durchsteckmontage. ⓘ

Anzapfungen

Die Schleifbahn eines Potentiometers kann mit Anzapfungen versehen sein, um sie für unterschiedliche Kennlinien konfigurieren zu können. Dadurch hat so ein Poti dann mehr als die üblichen drei Anschlüsse. ⓘ

Bestimmte Ausführungen einer gehörrichtigen Lautstärke-Entzerrung (Loudness-Korrektur) arbeiten auch mit derartigen Anzapfungen. ⓘ

Kenngrößen

Kennzeichnend für ein Potentiometer sind neben seinem Nennwiderstandswert (Widerstand zwischen den Endanschlüssen) und dessen Toleranz folgende Merkmale:

• Nennbelastbarkeit (Verlustleistung); sie ist drehwinkelabhängig
• bei linearen Potentiometern die Linearität
• bei Tandempotentiometern deren Gleichlauf
• mechanische Kenngrößen: Drehwinkel bzw. Betätigungsstrecke, Wellendurchmesser
• mechanische Lebensdauer (erreichbare Anzahl von Betätigungen)
• der Maximalstrom, der vom Schleifer übertragen werden kann, ohne das Widerstandsmaterial oder den Schleifkontakt zu beschädigen
• Maximale Spannungsfestigkeit ⓘ

Abweichender Gebrauch der Bezeichnung

Für die Steuerung von dimmbaren Leuchtstoffröhren wird manchmal ein sogenanntes „Aktiv-Potentiometer“ benötigt. Es handelt sich dabei nicht um ein Potentiometer im obigen/eigentlichen Sinne, sondern um eine regelbare Spannungsquelle, die typischerweise auf Werte zwischen 0 V und 10 V eingestellt werden kann. ⓘ