ポテンショメータ
 典型的な単回転ポテンショメータ | |
| コンポーネントタイプ | 受け身 |
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| 電子シンボル | |
 （IEC規格） （ANSI規格） | |
ポテンショメータは、スライド式または回転式の接点を備えた3端子抵抗器で、調整可能な電圧分圧器を形成します。[ 1 ]一方の端とワイパーの2つの端子のみを使用する場合は、可変抵抗器またはレオスタットとして機能します。
ポテンショメータと呼ばれる計測機器は、本質的には電位(電圧)の測定に使用される電圧分割器です。このコンポーネントは同じ原理を実装したものであるため、その名前が付けられています。
ポテンショメータは、オーディオ機器の音量調節などの電気機器の制御に広く使用されています。また、ファンの速度制御にも使用されます。機構によって操作されるポテンショメータは、ジョイスティックなどの位置変換器として使用できます。ポテンショメータで消費される電力は制御対象の負荷の電力と同程度になるため、ポテンショメータが1ワットを超える大きな電力を直接制御することはほとんどありません。
命名法
電子業界では、特定のタイプのポテンショメータを説明するために使用される用語には次のようなものがあります。
- ポット– ポテンショメータの略語
- スライドポットまたはスライダーポット- ワイパーを左右（設置状況に応じて上下）にスライドさせて調整するポテンショメータ。通常は指または親指で操作する。
- サムポットまたはサムホイールポット- 小さなサムホイールを使って頻繁に調整することを目的とした小さな回転式ポテンショメータ
- トリムポットまたはトリマーポット-トリマーポテンショメータは、通常、電気信号を「微調整」するために一度またはまれに調整することを意図しています。
工事
ポテンショメータは、抵抗素子、抵抗素子に沿って移動してその一部と良好な電気的接触を保つスライド接点（ワイパー）、抵抗素子の両端にある電気端子、ワイパーを端から端まで移動させる機構、および抵抗素子とワイパーを収納するハウジングで構成されています。
多くの安価なポテンショメータは、通常 1 回転よりわずかに短い円弧状に形成された抵抗素子 (断面図の B) と、回転するとこの素子上を摺動して電気的に接触するワイパー (C) で構成されています。抵抗素子は平面または角度付きです。抵抗素子の各端はケースの端子 (E、G) に接続されます。ワイパーは、通常他の 2 つの端子の間に位置する 3 番目の端子 (F) に接続されます。パネル ポテンショメータでは、ワイパーは通常 3 つの端子のうち中央の端子です。単回転ポテンショメータでは、このワイパーは通常、接点の周りを 1 回転弱移動します。汚染物質が侵入する唯一のポイントは、シャフトとそれが回転するハウジングの間の狭い空間です。
もう一つのタイプはリニアスライダポテンショメータです。これは、回転するのではなく、直線状の要素に沿ってスライドするワイパーを備えています。スライダが移動するスロットのどこからでも汚染物質が侵入する可能性があり、効果的な密閉が困難になり、長期的な信頼性が損なわれます。スライダポテンショメータの利点は、スライダの位置によって設定が視覚的にわかることです。回転式ポテンショメータの設定はノブの目盛りの位置で確認できますが、スライダを配列することで、グラフィックイコライザーやミキシングコンソールのフェーダーのように、設定を視覚的に確認できます。
安価なポテンショメータの抵抗素子は、多くの場合グラファイトで作られています。その他の材料としては、抵抗線、プラスチックに含まれる炭素粒子、サーメットと呼ばれるセラミックと金属の混合物などがあります。
導電性トラックポテンショメータでは、導電性を与えるカーボンに加えて、耐摩耗性の樹脂とポリマー、溶剤、潤滑剤を含む導電性ポリマー抵抗ペーストを使用します。
マルチターンポテンショメータもシャフトを回転させることによって操作しますが、1回転未満ではなく複数回転させることが可能です。マルチターンポテンショメータの中には、リードスクリューによって移動するスライド接点を備えた線形抵抗素子を備えたものもあれば、らせん状の抵抗素子と、回転するにつれてらせんに沿って移動する10回転、20回転、あるいはそれ以上の回転を行うワイパーを備えたものもあります。マルチターンポテンショメータは、ユーザーが操作できるタイプとプリセットタイプの両方があり、より細かい調整が可能です。同じ角度を回転させた場合、設定は通常、単純な回転式ポテンショメータの10分の1程度しか変化しません。
ストリングポテンショメータは、スプリングに逆らって回転する付属のワイヤ リールによって操作されるマルチ回転ポテンショメータであり、線形位置を可変抵抗に変換できます。
ユーザーがアクセスできる回転式ポテンショメータには、通常は反時計回りの端で動作するスイッチを取り付けることができます。デジタル電子機器が標準になる前は、このようなコンポーネントを使用して、ラジオやテレビの受信機やその他の機器を最小音量でクリック音とともにオンにし、同じノブを回して音量を上げることができました。複数の抵抗素子を、同じシャフト上のスライド接点でまとめて配置することができ、たとえばステレオオーディオアンプの音量制御に使用できます。家庭用の調光器などの他の用途では、ポテンショメータを現在の位置に設定したままにして、ノブを軸方向に押すことでスイッチをオンとオフに交互に切り替えると、通常の使用パターンが最も満たされます。
その他のポテンショメータは機器内に内蔵されており、製造時または修理時の機器のキャリブレーション時にのみ調整され、それ以外の場合には触れられないようになっています。通常、ユーザーが操作できるポテンショメータよりも物理的にはるかに小さく、ノブではなくドライバーで操作する必要がある場合もあります。これらは通常、「トリマー」、「トリミング」、「プリセット」ポテンショメータ（またはポット）、あるいは一般的なブランド名である「トリムポット」と呼ばれます。
抵抗と位置の関係：「テーパー」
スライダーの位置と抵抗値の関係は「テーパー」または「法則」として知られており、抵抗素子に沿った抵抗コーティングの組成または厚さを変えることで製造時に制御できます。原理的には任意のテーパーが可能ですが、広く製造されているのは線形ポテンショメータと対数型（別名「オーディオテーパー」）ポテンショメータの2種類です。
使用されているテーパを識別するために文字コードが使用される場合もありますが、文字コードの定義は標準化されていません。アジアおよび米国製のポテンショメータには、通常、対数テーパには「A」、線形テーパには「B」、稀に見られる逆対数テーパには「C」と表示されています。その他の製品、特にヨーロッパ製の製品には、線形テーパには「A」、対数テーパには「C」または「B」、逆対数テーパには「F」と表示されている場合があります。[ 2 ]使用されるコードはメーカーによって異なります。非線形テーパでパーセンテージが参照される場合、それはシャフトの回転の中間点における抵抗値に関連します。したがって、10%対数テーパは、回転の中間点における全抵抗の10%を測定します。つまり、10kΩのポテンショメータで10%対数テーパを使用すると、中間点で1kΩになります。パーセンテージが高いほど、対数曲線は急勾配になります。[ 3 ]
リニアテーパポテンショメータ
リニアテーパポテンショメータ（リニアとはデバイスの電気的特性を表す言葉であり、抵抗素子の形状を表す言葉ではありません）は、一定の断面積を持つ抵抗素子を持ち、接点（ワイパー）と一方の端子間の抵抗がそれらの間の距離に比例するデバイスです。リニアテーパポテンショメータ[ 4 ]は、ポテンショメータの分割比がシャフトの回転角度（またはスライダーの位置）に比例する必要がある場合に使用されます。例えば、アナログブラウン管オシロスコープのディスプレイの中央合わせを調整するために使用されるコントロールなどです。高精度ポテンショメータは、抵抗とスライダーの位置の間に正確な関係があります。
対数ポテンショメータ
対数テーパ型ポテンショメータは、抵抗素子にバイアスが組み込まれたポテンショメータです。つまり、ポテンショメータの中心位置は、ポテンショメータ全体の値の半分ではありません。抵抗素子は対数テーパ、つまり数学的な指数または「二乗」プロファイルに従うように設計されています。対数テーパ型ポテンショメータは、一方の端からもう一方の端に向かって「テーパ」状に細くなる抵抗素子、または一方の端からもう一方の端にかけて抵抗率が変化する材料で作られた抵抗素子で構成されています。これにより、出力電圧はスライダ位置の対数関数となります。
ほとんどの（安価な）「対数」ポテンショメータは、正確には対数特性を持ちませんが、抵抗値が異なる（ただし抵抗率は一定）2つの領域を用いて対数特性を近似します。2つの抵抗トラックは、ポテンショメータの回転の約50%で重なり合い、これにより階段状の対数勾配が形成されます。[ 5 ]対数ポテンショメータは、線形ポテンショメータと外付け抵抗器を用いることでシミュレートすることもできます。真の対数ポテンショメータは、はるかに高価です。
ウェーバー・フェヒナーの法則によれば、人間の音量知覚は対数的であるため、対数テーパーポテンショメータはオーディオシステムの音量または信号レベルによく使用されます。
非接触ポテンショメータ
機械式ポテンショメータとは異なり、非接触型ポテンショメータは、光ディスクを使用して赤外線センサーをトリガーするか、磁石を使用して磁気センサーをトリガーします (容量性センサーなどの他の種類のセンサーがある限り、他の種類の非接触型ポテンショメータも構築できる可能性があります)。その後、電子回路が信号処理を行って、アナログまたはデジタルの出力信号を提供します。
非接触型ポテンショメータの例としては、AS5600集積回路が挙げられます。しかし、アブソリュートエンコーダも同様の原理を採用する必要がありますが、産業用途であるため、家庭用機器への搭載はコスト的に無理があるのは明らかです。
レオスタット
回路内の抵抗を連続的に変化させる最も一般的な方法は、レオスタットを使用することです。[ 6 ]抵抗が変化するため、回路内の電流の大きさを調整するためにも使用できます。レオスタットという言葉は、1843年にチャールズ・ホイートストン卿によって造語されました。[ 7 ]ギリシャ語のῥέος rheos（流れ）と - στάτης - states （ ἱστάναι histanai（設定する、立たせる）から派生）は「設定器、調整装置」を意味します。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]これは2端子の可変抵抗器です。低電力用途（約1ワット未満）では、3端子のポテンショメータがよく使用され、1つの端子は接続されていないか、ワイパーに接続されています。
レオスタットの定格電力を高くする必要がある場合（約1ワット以上）、半円形の絶縁体に抵抗線を巻き付け、ワイパーを抵抗線の1巻き目から次の巻き目へとスライドさせる構造が採用されることがあります。また、抵抗線を耐熱円筒に巻き付けたレオスタットでは、スライダーが抵抗線の巻き線の一部を軽く掴む複数の金属製のフィンガーで構成されている場合もあります。これらの「フィンガー」は、スライドノブで抵抗線コイルに沿って移動させ、「タッピング」ポイントを調整できます。数千ワットまでの定格を持つ巻線型レオスタットは、DCモーター駆動装置、電気溶接制御、発電機制御などの用途に使用されます。レオスタットの定格は全抵抗値で示され、許容電力損失は回路内の装置全体の抵抗値の割合に比例します。カーボンパイルレオスタットは、自動車のバッテリーや電源装置の試験用 負荷バンクとして使用されます。
チャールズ・ホイートストンの1843年製レオスタット（金属製と木製のシリンダー付き）- チャールズ・ホイートストンが1843年に開発した可動ヒゲ付き可変抵抗器
- 可変抵抗器の電子記号
- トリマー可変抵抗器の電子記号
- 高出力巻線ポテンショメータ
デジタルポテンショメータ
デジタルポテンショメータ（デジポットとも呼ばれる）は、アナログポテンショメータの機能を模倣した電子部品です。デジタル入力信号を介して、アナログポテンショメータと同様に、2つの端子間の抵抗を調整できます。主な機能タイプは2つあります。揮発性タイプは電源が切れると設定位置が失われ、通常は最小値に初期化されるように設計されています。不揮発性タイプは、フラッシュメモリやEEPROMに似た記憶機構を使用して設定位置を保持します。
デジポットの使用は、単純な機械式ポテンショメータよりもはるかに複雑で、多くの制約事項があります。しかしながら、デジポットは広く利用されており、特に機械式ポテンショメータの制約が問題となるような機器の工場調整や校正によく用いられます。デジポットは、他の半導体デバイスと同様に、中程度の長期機械的振動や環境汚染の影響を受けにくく、プログラミング入力へのアクセスを様々な手段で保護することで、不正な改ざんを電子的に防ぐことができます。
マイクロプロセッサ、FPGA、または設定を保存し、機器の電源投入時に毎回「ポテンショメータ」に再ロードできるその他の機能ロジックを備えた機器では、乗算型DAC をデジポットの代わりに使用できます。これにより、設定解像度が向上し、温度によるドリフトが少なくなり、操作の柔軟性が向上します。
メンブレンポテンショメータ
メンブレンポテンショメータは、摺動素子によって変形する導電性メンブレンを用いて抵抗分圧器に接触する。直線性は、材料、設計、製造プロセスに応じて0.50%～5%の範囲で変化する。繰り返し精度は通常0.1 mm～1.0 mmで、理論上は無限の分解能を持つ。このタイプのポテンショメータの耐用年数は、製造時に使用される材料と作動方法に応じて、通常100万～2000万サイクルである。位置検出には接触式と非接触式（磁気式）がある。PET、FR4、カプトンなど、様々な材料が利用可能である。メンブレンポテンショメータメーカーは、リニア型、ロータリー型、用途に応じた各種のバリエーションを提供している。リニア型は長さ9 mm～1000 mm、ロータリー型は直径20 mm～450 mmで、高さはそれぞれ0.5 mmである。メンブレンポテンショメータは位置検出に使用できる。[ 11 ]
抵抗膜方式のタッチスクリーン デバイスの場合、2 次元のメンブレン ポテンショメータによって x 座標と y 座標が提供されます。最上層は、隣接する内層に近い間隔で配置された薄いガラスです。最上層の裏面には透明な導電コーティングが施され、その下の層の表面には透明な抵抗コーティングが施されています。指またはスタイラスでガラスを変形させると、下の層に接触します。抵抗層のエッジには導電性の接点があります。接触点の位置を特定するには、反対側のエッジに電圧を印加し、他の 2 つのエッジを一時的に未接続のままにします。最上層の電圧によって 1 つの座標が提供されます。これらの 2 つのエッジの接続を解除し、以前は未接続だった他の 2 つのエッジに電圧を印加すると、もう 1 つの座標が得られます。エッジのペアを高速に切り替えることで、位置を頻繁に更新できます。出力データは、 アナログ/デジタル コンバータによって提供されます。
このようなセンサーの利点は、センサーへの接続が5箇所だけで済むこと、そして関連する電子機器が比較的シンプルであることです。また、表面層を小さな面積で押し下げる材料であれば、どのようなものでも問題なく機能するという点も利点です。欠点は、接触させるには十分な力を加える必要があることです。さらに、タッチ位置と下層のディスプレイを一致させるために、センサーを定期的にキャリブレーションする必要があるという点も欠点です。（静電容量式センサーはキャリブレーションや接触力は不要で、指などの導電性物体の近接度のみで動作します。ただし、構造ははるかに複雑です。）
アプリケーション
ポテンショメータは、1ワット程度を超える大きな電力を直接制御するために用いられることはほとんどありません。代わりに、アナログ信号のレベル調整（例えば、オーディオ機器の音量調整 ）や、電子回路の制御入力として用いられます。例えば、調光器はポテンショメータを用いてトライアックのスイッチングを制御し、間接的にランプの明るさを制御します。
プリセットポテンショメータは、製造時またはサービス時に調整が必要となる電子機器のあらゆる場面で広く使用されています。
ユーザー操作型ポテンショメータは、ユーザーによる操作手段として広く利用されており、非常に多様な機器機能を制御できます。民生用電子機器におけるポテンショメータの普及は1990年代に衰退し、現在ではロータリー式インクリメンタルエンコーダ、上下プッシュボタン、その他のデジタル制御機器が主流となっています。しかしながら、音量調節や位置センサーなど、多くの用途で依然として使用されています。
オーディオコントロール
低電力ポテンショメータ（スライド式と回転式の両方）は、オーディオ機器を制御し、音量、周波数減衰、およびオーディオ信号のその他の特性を変更するために使用されます。
「ログポット」は、抵抗、テーパー、または「曲線」（または法則）が対数（log）形状であるポテンショメータで、オーディオパワーアンプの音量調節に使用されます。人間の耳の振幅応答がほぼ対数的であることから、「オーディオテーパーポット」とも呼ばれます。例えば、0～10の音量調節において、5に設定すると、主観的には10に設定するよりも半分の音量に聞こえます。また、対数ポテンショメータを単純に逆位相にした、アンチログポットまたは逆オーディオテーパーポットも存在します。これは、オーディオバランスコントロールなど、ほとんどの場合、対数ポテンショメータと連動して使用されます。
フィルタ ネットワークと組み合わせて使用されるポテンショメータは、トーン コントロールまたはイコライザーとして機能します。
オーディオシステムでは、スライドポテンショメータの物理的なスライド動作が直線的であるため、「リニア」という言葉が紛らわしい意味で使われることがあります。スライド式か回転式かを問わず、ポテンショメータに「リニア」という言葉が使われる場合、ポットの位置とポットのタップ（ワイパーまたは電気出力）ピンの測定値との直線関係を表します。
テレビ
ポテンショメータはかつて、画像の明るさ、コントラスト、色応答を制御するために使用されていました。ポテンショメータは「垂直ホールド」の調整によく使用され、受信機内部のスイープ回路（マルチバイブレータが使用される場合もあります）と受信画像信号との同期、オーディオ・ビデオ搬送波オフセット、同調周波数（プッシュボタン式受信機の場合）などにも影響を与えました。また、電波の周波数変調にも役立ちます。
モーションコントロール
ポテンショメータは、サーボ機構などの閉ループ制御を構築するための位置フィードバックデバイスとして使用できます。この動作制御方法は、角度または変位を測定する最も簡単な方法です。
トランスデューサー
ポテンショメータは構造が簡単で、大きな出力信号を出すことができるため、 変位トランスデューサーの一部としても広く使用されています。
計算
アナログコンピュータでは、高精度ポテンショメータは、中間結果を所定の定数倍でスケーリングしたり、計算の初期条件を設定したりするために用いられます。モーター駆動のポテンショメータは、非線形抵抗カードを用いて三角関数の近似値を生成する関数発生器として用いることができます。例えば、シャフトの回転を角度として扱い、電圧分圧比を角度の余弦に比例させることができます。
動作原理
ポテンショメータは分圧器として用いることができ、ポテンショメータの両端に印加された固定入力電圧から、スライダ（ワイパー）で手動で調整可能な出力電圧を得ることができます。これが最も一般的な用途です。
R L の両端の電圧は次のように計算できる。
R L が他の抵抗に比べて大きい場合(オペアンプへの入力など)、出力電圧はより簡単な式 (全体をR L で割り、 R L を分母とする 項をキャンセルする)で近似できます 。
例として、、、、および
負荷抵抗は他の抵抗に比べて大きいため、出力電圧V L は約 6.623 V になります 。 ただし、負荷抵抗のため、実際にはわずかに低くなり、約 6.623 Vになります。
電源に直列に接続された可変抵抗器と比較した分圧器の利点の一つは、可変抵抗器には最大抵抗値があり、常にある程度の電流が流れるのに対し、分圧器はポテンショメータのワイパーが一端から他端まで移動するのに合わせて、出力電圧を最大値（V S）からグランド（ゼロボルト）まで変化させることができることです。ただし、常にわずかな接触抵抗が存在します。
さらに、負荷抵抗は不明な場合が多く、そのため、可変抵抗器を負荷と直列に配置するだけでは、負荷に応じて影響が無視できる場合もあれば、影響が大きすぎる場合もあります。
失敗
経年劣化により、抵抗トラックとワイパーの回転時に断続的な接触が生じることがあります。音量調節器を使用する場合、この接触によりパチパチという音が発生します。[ 12 ]
参照
参考文献
- ^ IEEE標準用語辞典（IEEE 100）（第7版）. ピスカタウェイ、ニュージャージー州: IEEE Press. 2000. ISBN 0-7381-2601-2。
- ^ 「抵抗器ガイド」 。 2018年1月3日閲覧。
- ^エリオット、ロッド. 「ポテンショメータ初心者ガイド」 . エリオットサウンドプロダクツ. 2019年4月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年6月7日閲覧。
- ^ Peterson, Phillip. 「リニア型高精度ポテンショメータの図」（PDF） .高精度センサー. Betatronix. 2015年9月29日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2015年4月29日閲覧。
- ^ 「ポテンショメータのテーパ」抵抗器ガイド。 2012年11月19日閲覧。
- ^ Jhakki, Akki (2020). Concise Physics Class IX (ICSE) . New Delhi: Selina Publishers Pvt. Ltd. p. 189. ISBN 9789388594387。
- ^ホイートストン、チャールズ (1843). 「ボルタ電池回路の定数を決定するためのいくつかの新しい機器とプロセスの説明」ロンドン王立協会哲学論文集133 : 303–327 . 309 ページより：「この機器の主な用途は、一定の力が得られるように回路を調整または制御することであるため、私はこれをレオスタットと呼んでいます。」
- ^ブライアン・バウアーズ（編）『サー・チャールズ・ホイートストン FRS: 1802-1875』IET、2001年ISBN 0-85296-103-0104-105ページ
- ^ "stat" .オックスフォード英語辞典（オンライン版）. オックスフォード大学出版局.(サブスクリプションまたは参加機関のメンバーシップが必要です。)
- ^ ῥέος , ἱστάναι .リデル、ヘンリー・ジョージ；スコット、ロバート；ペルセウス・プロジェクトのギリシャ語-英語辞典。
- ^メンブレンポテンショメータのホワイトペーパー
- ^ “3.1.5.5 可変抵抗器、RJR、およびRTRの一般特性”. MIL-HDBK-978B - NASA部品適用ハンドブック(PDF) (B版). NASA . 1988年3月1日. p. 3-11 (PDF 157/1224). 2024年5月27日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) .（説明ページ：NASA電子部品およびパッケージングプログラム）
- p3-4 (PDF 150/1224): 3.1. 抵抗器一般 – ノイズ
- p3-5 (PDF 151/1224): 3.1.3.2 可変抵抗器 – ノイズ
- p3-11 (PDF 157/1224): 3.1.5.5 可変抵抗器、RJRおよびRTRの一般特性
- p3-61 (PDF 207/1224): 3.9 可変巻線抵抗器（リードスクリュー駆動） – 3.9.7.4 故障メカニズム
さらに読む
- ポテンショメータハンドブック; 1版; カール・トッド; マグロウヒル; 300ページ; 1975年; ISBN 978-0070066908. (ダウンロード)
- ポテンショメータの注意事項 (問題) ; Alpsalpine がポテンショメータの取り扱いに関する注意事項を説明しています。(ダウンロード)
- 非接触ポテンショメータ；AS5600は、プログラムが容易な磁気式回転位置センサで、12ビットの高解像度アナログまたはPWM出力を備えています。この非接触システムは、直径方向に磁化された軸上磁石の絶対角度を測定します。このAS5600は、非接触ポテンショメータアプリケーション向けに設計されています。(AS5600)
外部リンク
