[Перевод] Сопротивление в движении: что нужно знать о переменных резисторах
Регулировка громкости звуковой системы, фиксация положения пальца на сенсорном экране и определение появления в автомобиле человека — вот всего лишь несколько примеров использования переменных резисторов в повседневной жизни. Возможность изменять сопротивление — это возможность взаимодействовать, поэтому переменные резисторы можно найти во множестве вещей. (Всё, что необходимо знать о постоянных резисторах, описано в предыдущей статье).
Принципы одинаковы, но способов разделения напряжения существует довольно много. Рассмотрим, что лежит в основе верньеров, реостатов, мембранных потенциометров, резистивных сенсорных экранов, а также датчиков изгиба и растяжения.
Потенциометры, по сути — это делители напряжения. Это метод разделения заданного напряжения на меньшие значения. Согласно схеме, у потенциометра (серый) есть три точки соединения. Средняя — переменная (обозначена стрелкой), и она контактирует с материалом резистора внутри где-то в одной из точек протяжённого резистора.
Напряжение между регулируемой точкой и одной из оставшихся (концов резистора) определяется сопротивлением между ними. Если соединены только две точки, тогда у нас получится переменный резистор, или реостат.
На фото — потенциометр с цилиндрической поворотной ручкой. Круглая пластиковая ручка громкости на вашей звуковой системе прячет один из таких потенциометров. Обратите внимание на три контакта, из которых средний соединён с переменной точкой. На фото изображён новый потенциометр. А вот статья о том, как я использовал такое устройство на усилителе, сделанном из банки из-под арахисового масла.
У потенциометров может быть линейный или логарифмический диапазон сопротивления. Линейный означает, что при повороте ручки сопротивление меняется линейно. Если повернуть её на четверть, сопротивление изменится на четверть.
Но если так будет с ручкой громкости, нашим ушам покажется, что громкость растёт слишком быстро; так происходит из-за особенностей восприятия звуков мозгом. Поэтому для ручки громкости лучше использовать потенциометр, чьё сопротивление меняется логарифмически. На графике показано, как меняется громкость при повороте ручки, как для линейного, так и для логарифмического потенциометра. Некоторые потенциометры обеспечивают лишь псевдо-логарифмический рост, и они дешевле тех, что дают настоящий логарифм. Они состоят из двух линейных частей, встречающихся на 50% поворота. Их работа также отражена на графике.
Логарифмическое поведение достигается изменением формы резистивного элемента — его ширина меняется по всей длине. Поэтому потенциометры часто делят на линейно сужающиеся и логарифмически сужающиеся.
Ещё одна разновидность потенциометра — подстроечное сопротивление, или триммер. Они меньше размером, и используются на электронных платах. Подстраиваются одни обычно один раз, или очень редко — только для калибровки схемы.
Триммеры
Эквалайзер
Не все потенциометры работают с вращением. Они могут быть сделаны и в форме ползунов, как на фото с эквалайзером. Такие ползуны подвержены попаданию грязи, нарушающей их работу — именно такая проблема появилась у клавиатуры на фото (это моя клавиатура, и её ползуны действительно трудно передвигать).
Как я уже упомянул, при подсоединении только двух контактов потенциометр часто называют реостатом. Реостаты обычно используются для больших токов, и, конечно же, не только для регулировки громкости.
Чтобы работать с большими токами, они обычно делаются при помощи провода, намотанного на изолированный сердечник, по которому ходит скользящий контакт. Вспомним символ потенциометра, у которого использовано три контакта. Поскольку здесь мы подключаем два контакта, мы используем другой символ; сопротивление со стрелочкой (не подсоединённой) поперёк. На изображении ниже вы можете видеть два варианта этого символа — по стандартам IEEE и IEC.
Мембранный потенциометр состоит из гибкой диэлектрической, часто прозрачной мембраны с присоединённой снизу полоской сопротивления.
Ниже её находится основание, на поверхности которого нанесена токопроводящая дорожка. Когда палец, или другой объект прикасается к мембране, полоска устанавливает контакт с дорожкой. В результате на контактах полоски появляется напряжение. Оно зависит от того, в каком месте полоска соприкоснулась с дорожкой. Схема тут та же, что и самая первая схема на странице для потенциометра.
Сопротивление мембранного потенциометра SoftPot с сайта Sparkfun меняется линейно от 100 Ом до 10 кОм с номинальной мощностью в 1 Вт.
В случае, когда контакт не постоянен (например, он возникает только при нажатии пальцем), в схеме необходим подтягивающий резистор (к примеру, 100 кОм). Но у некоторых мембранных потенциометров есть магнит или скользящий контакт, всегда давящий на мембрану и поддерживающий постоянный контакт.
Резистивный сенсорный экран похож на мембранный потенциометр, только резистивный материал есть на обоих его слоях, причём материал прозрачный. Передняя мембрана гибкая и также прозрачная, так что палец или стилус может надавить на неё и создать контакт. Технология использовалась в некоторых дешёвых карманных компьютерах или детских игрушках. Она всё ещё применяется, но революция смартфонов произошла благодаря ёмкостным экранам, не требующим гибкой мембраны.
Для 4-проводного резистивного сенсорного экрана напряжение подаётся на верхний слой, а результат считывается с нижнего, и таким образом считывается координата X. Затем всё происходит наоборот и получается координата Y. Всё это происходит за миллисекунды, и опрос экрана проводится непрерывно.
Все подсчёты ведутся вспомогательным контроллером. Резистивные экраны не такие отзывчивые, как ёмкостные, и для высокой точности обычно требуется стилус. Используются в очень дешёвых смартфонах.
Датчики давления состоят из токопроводящего полимера, в котором есть проводящие и непроводящие частицы. Он расположен между двумя проводниками, переплетёнными, но не соединёнными. Прижимание полимера к проводникам создаёт контакт. Увеличение силы или площади нажатия увеличивает проводимость и уменьшает сопротивление. Без нажатия сопротивление конструкции может быть более 1 МОм, а точность обычно составляет около 10%. Этого достаточно для использования в музыкальных инструментах, протезах, датчиках наличия человека в машине и портативной электроники.
Гибкий датчик — это резистивный материал, например, углерод, нанесённый на гибкую мембрану. При изгибании датчика материал растягивается и сопротивление увеличивается пропорционально радиусу изгиба. Судя по одной из спецификаций, сопротивление плоского датчика в 10 кОм может удваиваться при сгибании его на 180 градусов, когда оба конца соединяются. Распространённый пример — пальцы в игровых перчатках, такие, как в контроллере Nintendo Power Glove (в одном из проектов его хакнули для управления квадрокоптером). Сгибание пальцев приводит к изменению сопротивления, показывающему степень сгиба.
Датчик растяжения работает по тому же принципу, только его сопротивление увеличивается при растяжении. Резиновый шнур с углеродом выглядит, как шнур для банджи. Судя по одному примеру с Adafruit, 6-дюймовый шнурок сопротивлением 2,1 кОм при растяжении до 10» меняет сопротивление до 3,5 кОм. Ещё один пример — проводящая нить из стальных волокон, смешанных с полиэстером, а ещё бывают датчики в виде резинок или ремней.
