Dzielnik napięcia. Potencjometr

W niektórych przypadkach potrzebne jest napięcie mniejsze od napięcia zasilania.

W celu obniżenia napięcia można zastosować tzw. dzielnik napięcia, którego

konstrukcję pokazano na rys.223-1.

Rys.223-1

Dzielnik

napięcia

Połączone szeregowo rezystory R

1

i R

2

wymuszają przepływ prądu o natężeniu

określonym wzorem:

1

1

2

U

I

R

R





Na rezystancji R

2

nastąpi spadek napięcia - zredukowane napięcie - o wielkości

określonej prawem Ohma:

1

2

2

2

1

2

U

U

I R

R

R

R

 







W stanie jałowym na wyjściu dzielnika napięcia uzyskujemy napięcie określone
wzorem:

2

2

1

1

2

R

U

U

R

R







Wielkość napięcia wyjściowego zależy od stosunku rezystancji, z której
pobieramy napięcie, do całkowitej rezystancji dzielnika napięcia.

Dobór odpowiedniej wartości rezystancji R

1

i R

2

w celu uzyskania wymaganej

wartości napięcia wyjściowego z dzielnika napięć jest dość kłopotliwy.

W praktyce stosuje się specjalnej konstrukcji rezystory z trzecim odczepem tzw.
ślizgaczem. Schemat elektryczny takiego rozwiązania pokazano na rysunku 223-2A.
Element taki nazywamy potencjometrem. Rys.223-2B przedstawia

przykład

wykonania potencjometru.

A

B

Rys.223-2.
Potencjometr suwakowy
A - schemat elektryczny
B - widok potencjometru:
1 -

końcówka rezystancji potencjometru

2 -

końcówka rezystancji potencjometru

3 -

ślizgacz potencjometru

4 -

ścieżka rezystancyjna

Ślizgacz (3) przemieszczając się po ścieżce rezystancyjnej (4), dzieli rezystor o
wartości rezystancji R na dwa rezystory R

1

i R

2

. Konstrukcja potencjometru

umożliwia regulację położenia ślizgacza na ścieżce rezystancyjnej, a więc również
można korygować wartość napięcia wyjściowego (U

2

).

Wartość rezystancji np. R

2

może się zmieniać od zera do całkowitej wartości

rezystancji R.

Potencjometr ma szerokie zastosowanie w układach elektrycznych.
W samochodzie stosowany jest w potencjometrycznych czujnikach
elektronicznych systemów sterowania i w układach kontroli działania

zespołów elektromechanicznych. Przykłady czujników wykorzystujących
działanie potencjometru: czujnik położenia przepustnicy, czujnik
położenia pedału gazu, czujnik ilości paliwa itd.

Obciążony dzielnik napięcia

Dzielnik napięcia udostępnia część napięcia zasilającego w zależności od
dobranych wartości rezystorów R

1

i R

2

. Napięcie wyjściowe (U

wy

) pojawia

się na zaciskach rezystancji R

2

(rys.223-

10). W stanie nieobciążonym, dla rezystancji

R

1

= 18k

Ω i R

2

= 2k

Ω, przy napięciu zasilania Uz=20V uzyskamy napięcie wyjściowe

z dzielnika równe 2 V.

2

wy

z

1

2

3

wy

3

3

wy

R

U

U

R

R

2 10

U

20V

18 10

2 10

U

20V 0,1

2V















 







Rys.223-10

Nieobciążony dzielnik napięcia.
Uz -

napięcie zasilania ( wejściowe)

Uwy -

napięcie wyjściowe

R1

– rezystor

R2

– rezystor

Rys.223-11.

Obciążony dzielnik napięcia.
Uz -

napięcie zasilania ( wejściowe)

Uwy -

napięcie wyjściowe

R

1

– rezystor

R

2

– rezystor

I -

natężenie prądu

Wykorzystanie dzielnika do zasilania dowolnego odbiornika wywołuje zmiany w
wartości napięcia wyjściowego. Rozpatrzymy przykład, w którym do dzielnika
napięcia, zbudowanego na rezystorach R

1

i R

2

dołączono obciążenie w postaci

rezystancji R

0

.(rys.223-11).

Dotychczasowy rezystor R

2

musimy zastąpić rezystancją wypadkową połączonych

równolegle rezystancji R

2

i R

0

.

Przyjmijmy wartość rezystancji R

0

jako 2k

Ω.

Rezystancja zastępcza wyniesie więc.......

a wartość napięcia wyjściowego dzielnika osiągnie wartość.....

3

3

2

0

20

3

3

2

0

3

20

R

R

2 10

2 10

R

R

R

2 10

2 10

R

1 10

1k





 









 

 



20

wy

z

1

20

3

wy

3

3

wy

R

U

U

R

R

1 10

U

20V

18 10

1 10

U

20V 0,05

1V















 







Napięcie wyjściowe dzielnika spadło dwukrotnie podczas obciążenia rezystancją R

0

o wartości 2kΩ . Sprawdźmy działanie dzielnika, jeżeli do jego budowy zastosujemy
rezystancje o wiele mniejszej wartości, lecz zachowamy przyjęty podział napięcia w
stosunku 1:10.
Niech R

1

wynosi 18

Ω, a R

2

2

Ω . Rezystancja zastępcza R

20

będzie miała wartość

R

20

= 1,998

Ω , a wartość napięcia wyjściowego dzielnika wynosić będzie

Uwy =1,98 V. Spadek napięcia pod obciążeniem będzie w tym przypadku niezwykle
mały.

Obciążenie dzielnika napięcia (potencjometru) włączonym równolegle
rezystorem wymaga zastosowania dzielnika o wielokrotnie mniejszej
rezystancji

wyjściowej niż rezystancja obciążenia. W tym przypadku

zmiany wartości napięcia wyjściowego dzielnika będą minimalne.
W przeciwnym

wypadku, należy uwzględnić znaczny spadek napięcia

na wyjściu dzielnika pod obciążeniem.

Czujniki potencjometryczne

Budowa, zasada działania

Rys.223-21

Model czujnika potencjometrycznego

Rys.223-22

Model suwakowego czujnika potencjometrycznego
1 - suwak, ruchoma zwora
2 -

ścieżka rezystancyjna

3 -

ścieżka stykowa

Uz -

napięcia zasilania (+5V)

(-) -

połączenie z masą

Us -

sygnał napięciowy czujnika

Czujniki potencjometryczne należą do powszechnie stosowanych czujników
pomiarowych położenia. Mogą być wykorzystane zarówno do pomiaru ruchu
prostoliniowego, jak również do analizy kąta obrotu. Wspomniane przypadki
przedstawiono na rys. 223-21 i 223-22.

Różnice konstrukcyjne wynikają jedynie z charakteru analizowanego ruchu -
ruchoma zwora (1) przesuwa się ruchem posuwisto-zwrotnym lub przemieszcza się
po łuku koła, zgodnie z kątem obrotu osi czujnika. Pomiar wynika z porównania
rezystancji czynnej z całkowitą rezystancją ścieżki oporowej (2). Zasilanie czujników
realizowane jest ze stabilizowanego

źródła (zazwyczaj +5V). Przepływ prądu

czujnika "zamienia" wartość rezystancji czynnej (w naszym przypadku R

2

) na sygnał

napięciowy (Us) czujnika potencjometrycznego.
Ścieżka rezystancyjna czujnika wykonana jest zazwyczaj z rezystora drutowego lub
warstwowego. Oporową warstwę stanowi spiek metaloceramiczny ("Cermet") lub
tworzywo

przewodzące ("Conductive Plastic"). Specjalnej konstrukcji zwora (1)

umożliwia elektryczny kontakt pomiędzy ścieżką rezystancyjną (2) i ścieżką stykową
(3). Ścieżka stykowa wykona jest z materiału o niskiej rezystancji. Ścieżka stykowa
połączona jest z wyjściem sygnału czujnika. Kształt i długość ścieżki rezystancyjnej
wpływa na charakterystykę czujnika potencjometrycznego. Zastosowane rezystory
wstępne (Rp

1

) i (Rp

2

) zabezpieczają ścieżkę oporową, umożliwiając jednocześnie

cechowanie i dostrojenie punktu zerowego czujnika.

Rozwiązanie konstrukcyjne zwory (suwaka) wpływa w decydujący sposób na zużycie
potencjometru i błąd pomiaru. W celu ograniczenia zużycia pary trącej "styk- ścieżka"
ogranicza się natężenie prądu czujnika (poniżej 1 mA) i stosuje się hermetyczne
obudowy.

Rys.223-22

Czujnik potencjometryczny położenia osi przepustnicy Opel

Czujniki potencjometryczne w technice motoryzacyjnej

Rys.224-

1 przedstawia przykład wykorzystania potencjometru w czujniku ilości

zasysanego powietrza przez układ dolotowy silnika - tzw. przepływomierzu. Pod
wpływem naporu powietrza przesłona przepływomierza (3) uchyla się, obracając
ośkę (4) sterującą położeniem ślizgacza potencjometru (1). Potencjometry
stosowane są również między innymi w czujnikach położenia przepustnicy,
czujnikach poziomu paliwa, czujniki obrotu koła kierownicy i itd.

Rys.224-1

Potencjometr w przepływomierzu powietrza

1. Ślizgacz

2. ścieżka rezystancyjna

3. przesłona uchylna

4. O

śka

Rys.224-2.

Potencjometryczny czujnik uchylenia przepustnicy ze stykiem biegu jałowego silnika

1. Ścieżka rezystancyjna

2. Styk podwójnego ślizgacza czujnika uchylenia przepustnicy

3. Ścieżka stykowa

4. Oś przepustnicy

5. Ramię połączone z osią przepustnicy

6. Ścieżka stykowa

7. Styk podwójny czujnika biegu jałowego.

R -

rezystancja ścieżki

M -

styk połączony z masą

BJ -

styk sygnału biegu jałowego

W1 -

styk sygnału wyjściowego czujnika przepustnicy

5V -

napięcie zasilania

R1, R2 -

rezystancje podziału ścieżki rezystancyjnej przy określonym

ustawieniu styku ruchomego (2)

Rozwiązanie konstrukcyjne potencjometru, stosowanego w czujniku położenia
przepustnicy, pokazano na rys.224-2.
Kąt uchylenia przepustnicy zamieniany jest na sygnał napięcia, przekazywany do
elektronicznego zespołu sterującego silnika. Czujnik zasilany jest stałym napięciem
5V. Napięciowy sygnał z zakresu 0,5 do 4,5 V służy do ustalenia wymaganej dawki
paliwa i kąta wyprzedzenia zapłonu. Ruchome ramię czujnika (5), osadzone sztywno
na osi przepustnicy (4), obraca się w miarę zmiany pozycji przepustnicy silnika.
Styki podwójnych ślizgaczy (2) i (7) mogą przesuwać się po ścieżkach czujnika:
rezystancyjnej (1) oraz stykowych (3) i (6) . Na rys.224-

2A pokazano pozycję biegu

jałowego przepustnicy. Sygnał czujnika położenia przepustnicy (W1) wynosi 0,5 V a
styk biegu jałowego (BJ) jest zwarty stykiem (7) do masy.

Rys.224-

2B przedstawia sytuację, gdy przepustnica została częściowo uchylona.

Styk biegu jałowego stracił kontakt z masą, natomiast ruchomy styk (2) zajął pozycję
na ścieżce rezystancyjnej w której rezystancja potencjometru R została podzielona
na R1 i R

2. Spadek napięcia na odcinku ścieżki rezystancyjnej (R1) tworzy sygnał

wyjściowy czujnika położenia przepustnicy. Wartość sygnału wynosi obecnie 2,7 V.

Czujnik położenia przepustnicy w systemie Motronic