Potentiometer – wie funktioniert das?

Was ist ein Potentiometer?

Ein Potentiometer ist ein resistiver (auf dem Phänomen des elektrischen Widerstands basierender) Spannungsteiler, der einstellbar ist. Man unterscheidet zwischen analogen Potentiometern mit einem Widerstandspfad (die eine stufenlose Einstellung ermöglichen) und digitalen Potentiometern, die aus mehreren Widerständen aufgebaut sind (dieser Typ ermöglicht eine stufenweise Einstellung).

Spannungsteiler

Ein Spannungsteiler ist eine Vorrichtung, mit der das gewünschte Verhältnis zwischen der Eingangsspannung U₁ und der Ausgangsspannung U₂ erreicht werden kann. Das Verhältnis der sich ergebenden Werte (das Verhältnis von U₁ zu U₂) wird als K_U-Faktor bezeichnet – man spricht hier vom so genannten Teilerverhältnis. Die Ausgangsspannung U₁ im Spannungsteiler hat immer einen niedrigeren Wert als die Ausgangsspannung U₂, und ihr Wert hängt von der Versorgungsspannung und dem Verhältnis der verwendeten Widerstände ab. Sie kann nach folgender Formel berechnet werden U₂ = [U₁ / (R + R₁)] R₁.

Potentiometer oder einstellbarer Widerstand?

Sowohl Potentiometer als auch einstellbarer Widerstand sind Bezeichnungen für das gleiche elektronische Bauteil. Beide Begriffe sind korrekt und können austauschbar verwendet werden, obwohl der Begriff “einstellbarer Widerstand” etwas weniger gebräuchlich ist, vor allem in der Fachwelt. Manchmal wird auch die Bezeichnung Drehwiderstand verwendet.

Aufbau und Funktionsweise des Potentiometers

Das Basispotentiometer hat drei Anschlüsse, von denen zwei über einen festen Widerstand verbunden sind. Die dritte (mittlere) Leitung ist mit einem Schieber verbunden, dessen Position auf der Widerstandsbahn frei eingestellt werden kann. In der Regel ist der Schieber mit einem geeigneten Gehäuse ausgestattet, so dass die Einstellung am Potentiometer bequem und sicher vorgenommen werden kann.

Wie funktioniert das?

Durch Verschieben des Schiebereglers ändert sich das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert R (zwischen der ersten und der zweiten Leitung) und dem Widerstandswert R₁ (zwischen der zweiten und der dritten Leitung) und damit auch die Ausgangsspannung (dies ergibt sich aus der oben angegebenen Formel für die Ausgangsspannung in einem ohmschen Spannungsteiler). Je höher der Widerstandswert des Widerstands R₁ ist, desto geringer ist die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung.

Achtung!

Es ist zu bedenken, dass bestimmte Potentiometer für den Betrieb bei bestimmten Spannungs- und Stromwerten ausgelegt sind – ein Überschreiten dieser Werte kann zu irreparablen Schäden an den Bauteilen führen.

Einteilung der Potentiometer

Die einzelnen Potentiometer unterscheiden sich in ihrem Aufbau, ihrer Handhabung und anderen Parametern, die ihre Eigenschaften bestimmen (z. B. Einsatzmöglichkeiten, Präzision oder Haltbarkeit).

Aufgrund des Aufbaus

Bei der grundsätzlichen Einteilung der Potentiometer nach ihrem Aufbau wird zwischen analogen Elementen (mit einem Widerstandspfad) und digitalen Elementen (mit mehreren Widerständen) unterschieden. Es sei daran erinnert, dass beide Lösungen unterschiedliche Leistungsmerkmale und sowohl Vor- als auch Nachteile haben.

Analoge Potentiometer

Analoge Potentiometer haben eine Widerstandsbahn, die aus Kunststoff, Kohle, Spulen aus Widerstandsdraht oder Keramik-Metall-Sinterung besteht. Wenn Sie die Position des Schiebereglers ändern, ändert sich das Widerstandsverhältnis zwischen den Widerständen, was zu einer Änderung der Ausgangsspannung führt. Der Vorteil von analogen Potentiometern besteht darin, dass das Verhältnis zwischen den beiden Widerstandswerten stufenlos eingestellt werden kann, so dass die Spannung (innerhalb des durch das Element ermöglichten Bereichs) beliebig angepasst werden kann. Der Nachteil (vor allem bei billigeren, weniger gut verarbeiteten Modellen) ist das Rauschen und Knacken, das beim Ändern der Potentiometereinstellungen auftreten kann.

Digitale Potentiometer

Die digitalen Potentiometer bestehen aus einer Reihe von CMOS-Widerständen und -Schaltern sowie einer logischen Steuerschaltung und einem elektronischen Zähler. Durch entsprechende Programmierung des Steuersystems kann der berücksichtigte Widerstandswert eingestellt und damit die Ausgangsspannung geregelt werden. Widerstände können gleiche oder unterschiedliche (z. B. steigende) Widerstandswerte haben. Der Vorteil von digitalen Potentiometern ist, dass es kein Rauschen oder Knistern gibt, wie es bei analogen Potentiometern vorkommt. Es ist auch möglich, eine vollständige Wiederholbarkeit der Einstellungen zu erreichen. Bei digitalen Potentiometern sind die Einstellmöglichkeiten jedoch begrenzt.

In Bezug auf die Bedienung

Obwohl die Funktionsweise des Potentiometers keinen wesentlichen Einfluss auf die grundlegende Funktionsweise hat, bestimmt sie die Zweckmäßigkeit des Bauteils in bestimmten Anwendungen. Es lohnt sich, dieses Wissen zu nutzen, bevor Sie ein Potentiometer für die von Ihnen entworfenen Geräte auswählen, da es deren Funktionalität erheblich verbessern (oder verschlechtern) kann.

Beispiel

Bei einem Präzisions-Konzertmischpult, das für die Steuerung der Beschallungsanlage bei Live-Musikveranstaltungen konzipiert ist, wird es einfacher sein, Schiebepotentiometer zu verwenden. Sie ermöglichen eine präzise Steuerung der Klangparameter und bieten gleichzeitig eine visuelle Darstellung der einzelnen Einstellungen, was schnelle Reaktionen und Anpassungen im laufenden Betrieb ermöglicht. Die Verwendung von Schieberegler-Potentiometern ist einfach praktisch – obwohl technologisch gesehen Präzisions-Mehrgang-Drehpotentiometer genauso gut funktionieren würden.

Schiebepotentiometer

Bei einem Schiebepotentiometer ist der Widerstandsweg eine gerade Linie, auf der sich der Schieber vertikal oder horizontal bewegt. Es ist sehr intuitiv, da die Position des Schiebers gleichzeitig eine visuelle Darstellung des einzustellenden Parameters ist. Es benötigt jedoch mehr Platz als ein Drehpotentiometer und wird daher vor allem in Geräten verwendet, bei denen die Miniaturisierung keine Priorität hat.

Drehpotentiometer (axial)

Drehpotentiometer haben in der Regel die Form eines Knopfes mit einer Anzeige. Auf dem Gehäuse eines Geräts, das mit einem solchen Potentiometer ausgestattet ist, befindet sich in der Regel eine Skala, auf der die gewünschte Einstellung vorgenommen werden kann. Das Potentiometer nimmt sehr wenig Platz in Anspruch, weshalb es erfolgreich in Geräten eingesetzt wird, bei denen der Platz knapp ist.

Drehpotentiometer gegenüber Dreh-Mehrstellungsschalter

Ein Mehrstellungs-Drehschalter (z. B. zum Einstellen des gewünschten Programms in einer Waschmaschine) kann visuell mit einem Drehpotentiometer in Verbindung gebracht werden. Das Funktionsprinzip der beiden Elemente ist jedoch unterschiedlich – ein Drehpotentiometer steuert die Spannung durch eine Widerstandssteuerung, während ein Dreh-Mehrfachschalter (wie jeder andere Schalter) das Schließen und Öffnen elektrischer Schaltkreise in verschiedenen Konfigurationen bewirkt.

Aufgrund der Widerstandsvariationseigenschaften

Potentiometer können auch nach den Widerstandsänderungen unterteilt werden, die bei der Änderung der Position des Schiebereglers auftreten.

Lineare Potentiometer

Bei linearen Potentiometern ist die Zunahme des Widerstands proportional zur Änderung der Position des Schiebereglers. Bei digitalen Elementen hängt dies mit dem gleichen Wert aller Widerstände im Inneren zusammen. Lineare Potentiometer werden gewöhnlich mit dem Buchstaben A bezeichnet.

Logarithmische Potentiometer

Bei logarithmischen Potentiometern ist der Anstieg des Widerstands logarithmisch (d. h. er steigt zunächst schnell und dann immer langsamer). Lineare Potentiometer werden gewöhnlich mit dem Buchstaben B bezeichnet.

Praktische Anwendung von logarithmischen Potentiometern

Logarithmische Potentiometer werden zur Regelung der Lautstärke in Audiogeräten verwendet. Das liegt daran, dass die Empfindlichkeit des Gehörs ebenfalls logarithmisch ist, weshalb wir eine solche Lautstärkeregelung als gleichmäßig wahrnehmen.

Exponentialpotentiometer

Bei Exponentialpotentiometern ist der Anstieg des Widerstands exponentiell (d. h. er steigt zunächst langsam und dann immer schneller an). Exponentialpotentiometer werden gewöhnlich mit dem Buchstaben B bezeichnet.

Aufgrund anderer Eigenschaften und Funktionen

Potentiometer können nach einer Reihe von Parametern unterteilt werden. Diese Elemente können auch mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet werden, um sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet zu machen.

Potentiometer mit Schalter

Bei Potentiometern gibt es einen Schalter am anderen Ende der Leitung, mit dem die Stromzufuhr vollständig unterbrochen werden kann. Diese Lösung wird häufig in Radios verwendet, wo das Gerät durch Drehen auf Null gleichzeitig ausgeschaltet wird.

Mehrgang-Potentiometer (Präzision)

Drehschalter werden dort eingesetzt, wo ein hohes Maß an Einstellgenauigkeit erforderlich ist (z. B. bei Industriemaschinen). Um zu vermeiden, dass ein sehr großes Bauteil entsteht, werden Schalter mit mehr als einer Umdrehung verwendet.

Montage von Potentiometern

Einbaupotentiometer haben in der Regel kein Gehäuse und keine äußere Achse (auf der sich normalerweise der Einstellknopf befindet). Dies wird verwendet, weil sie meist in einmaligen oder sehr seltenen Situationen eingesetzt werden (z. B. bei der Kalibrierung elektronischer Geräte oder bei der Erstinbetriebnahme). In der Regel wird ein Schraubenzieher benötigt, um die gewünschte Einstellung vorzunehmen.

Gekoppelte Potentiometer

Bei einem gekoppelten Potentiometer handelt es sich um zwei Potentiometer, die von einem einzigen Element gesteuert werden. Ein gutes Beispiel sind Stereolautsprecher, bei denen die prozentuale Einstellung der Last beider Lautsprecher mit einem einzigen Knopf erfolgt (die Nullstellung bedeutet ein Verhältnis von 1:1).

Anwendung von Potentiometern

Potentiometer werden in vielen Bereichen eingesetzt. Unter anderem werden sie in Audiogeräten verwendet

Audiogeräte und Musikinstrumente

In Audiogeräten wie Lautsprechern, Instrumentenverstärkern, Lautsprecheranlagen, elektrischen Instrumenten, Mischpulten oder Tonverstärkern werden Potentiometer verwendet, um die Lautstärke zu regeln, das Verhältnis zwischen tiefen und hohen Frequenzen einzustellen oder die Lautstärke einzelner Komponenten in einer Stereoanlage zu steuern. Für diese Anwendungen werden sowohl analoge als auch digitale Potentiometer verwendet.

Dimmer für Beleuchtungsanlagen

Mit einem entsprechend gewählten Potentiometer lässt sich auch die Intensität der Beleuchtung regeln. In seiner einfachsten Variante wird dieses Element zwischen einer Stromquelle (z. B. einem an eine Steckdose angeschlossenen Kabel) und einer Lichtquelle (z. B. einer Lampe mit Glühbirne) angebracht. Durch Verringern oder Erhöhen des Widerstandswertes am Potentiometer wird die Lichtleistung verstärkt oder abgeschwächt. Diese Lösung kann, auch wenn sie unterschiedliche Konstruktionen und Stromwerte erfordert, in jeder Beleuchtungsanlage eingesetzt werden, bei der die Lichtintensität von der zugeführten Leistung abhängt, also z. B. bei LEDs oder herkömmlichen Glühbirnen.

Drehzahlregelung von Motoren

Potentiometer werden auch verwendet, um die Geschwindigkeit von Elektromotoren zu regulieren, wie sie zum Beispiel in Straßenbahnen eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich die Intensität des im Gerät befindlichen Motors (z. B. die Geschwindigkeit des Fahrzeugs) bequem regeln.

Potentiometer-Parameter

Die Wahl der richtigen Potentiometer-Parameter hilft, das Bauteil auf die vorgesehene Anwendung abzustimmen. Im Folgenden sind einige der Merkmale und Eigenschaften aufgeführt, auf die Sie bei der Auswahl eines Potentiometers für Ihre Projekte achten sollten:

Typ

Analoge Potentiometer ermöglichen eine präzisere Steuerung der Einstellungen, verschleißen aber schneller und sind relativ anfällig für Störungen. Digitale Potentiometer hingegen haben Einschränkungen in Bezug auf die Anzahl der möglichen Einstellungen, sind aber weniger störanfällig und erzeugen keine unerwünschten Geräusche beim Verstellen der Einstellung.

Aufbau und Betrieb

Wenn Sie auf der Suche nach einem Ersatzteil sind, wissen Sie in der Regel bereits, ob es sich um ein Dreh- oder ein Schiebepotentiometer handeln wird. Wenn Sie jedoch ein Projekt von Grund auf neu erstellen, lohnt es sich zu überlegen, welche Lösung bequemer und praktischer sein wird. Überlegen Sie auch, ob das Bauteil nur von einer qualifizierten Person, z. B. einem Servicetechniker, oder vom Benutzer selbst bedient werden soll. Im ersten Fall ist ein Montagepotentiometer vorzuziehen, im zweiten Fall ein Element mit leicht zu ändernden Einstellungen.

Eigenschaften und Widerstandswert

Potentiometer mit unterschiedlichen Eigenschaften und Widerstandswerten werden in verschiedenen Situationen eingesetzt – beide Parameter sollten auf den Verwendungszweck des Bauteils abgestimmt werden. Bei der Suche nach Ersatzteilen für fertige Geräte ist es jedoch am besten, zu prüfen, welches Potentiometer ursprünglich vom Hersteller eingebaut wurde, und das gleiche Modell oder einen Ersatz zu verwenden.

Achtung!

Die Standardbezeichnung für lineare Potentiometer ist A, für logarithmische Potentiometer B und für exponentielle Potentiometer C. Diese Bezeichnungen können jedoch je nach Hersteller eines bestimmten Modells variieren, so dass es immer ratsam ist, vor dem Kauf eines bestimmten Produkts die Katalogbeschreibung zu lesen.

Zulässige Belastung der Widerstandsleitung

Die zulässige Strombelastung des Widerstandspfades entscheidet nicht nur über die korrekte Funktion des Potentiometers, sondern auch über seine Lebensdauer. Dies ist besonders wichtig für Präzisionskonstruktionen, bei denen man sich keine Fehler leisten kann. Auch bei sehr kleinen Potentiometern lohnt es sich, diesen Parameter sorgfältig zu überwachen – sie reagieren oft schon auf Stromüberschreitungen in der Größenordnung von wenigen Milliampere.

Widerstandstoleranz

Die Widerstandstoleranz bei Potentiometern ist von ähnlicher Bedeutung wie bei gewöhnlichen (nicht einstellbaren) Widerständen, ihr Wert ist jedoch – aufgrund der Beschaffenheit des Bauteils – in der Regel höher und kann selbst bei hochwertigen Geräten mehrere oder zehn Prozent betragen.

Anzahl der möglichen Einstellungen

Dies ist ein Parameter, der nur bei Digitalpotentiometern auftritt und von der Anzahl der Widerstände abhängt, die bei ihrer Konstruktion verwendet werden. Bei Präzisionspotentiometern kann die Anzahl der möglichen Einstellungen in die Tausende gehen, so dass die Sprünge bei Einstellungsveränderungen fast nicht mehr wahrnehmbar sind.

Zusätzliche Funktionen

Potentiometer mit Zusatzfunktionen, wie z. B. einem Schalter am Ende, erleichtern dem Benutzer die Bedienung der damit ausgestatteten Geräte und reduzieren die Anzahl der zur Steuerung der Geräte benötigten Bauteile. Dies trägt dazu bei, den Benutzerkomfort zu erhöhen und Platz zu sparen. Weitere wichtige Parameter sind die Wasserdichtheit (definiert als IP-Schutzgrad) oder die Möglichkeit, mehr als ein Potentiometer mit demselben Element zu steuern.

Das richtige Zubehör

Potentiometer werden oft mit dem notwendigen Zubehör verkauft, wie z. B. einem auf der Achse des Drehpotentiometers montierten Knopf. Es lohnt sich, auf die praktischen Aspekte zu achten, die mit der Anwendung bestimmter Lösungen in einem Projekt verbunden sind: Ein Drehpotentiometer der Schutzklasse IPX8 für den Einsatz im Badezimmer sollte beispielsweise mit einem Knopf mit einer Oberfläche ausgestattet sein, die eine bequeme Handhabung der Einstellungen ermöglicht, selbst wenn der Benutzer nasse Hände hat.