ポテンショメータ

ポテンショメータ

典型的な単回転ポテンショメータ
タイプ	受け身
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、調整可能な電圧分割器を形成します。^{[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)を測定するため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コントロールなどの電気機器を制御するためによく使用されます。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、たとえばジョイスティックの位置トランスデューサ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される負荷の電力に匹敵するため、ポテンショメータが大きな電力 (1ワット以上) を直接制御することはほとんどありません。

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次のような用語が使用されます。

• ポット：ポテンショメータの略。
• 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(または設置場所に応じて上下)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します。
• 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。

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 回転より少し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スライド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、平らな場合も角度付きの場合もあります。抵抗素子の各端は、ケースの端子 (E、G) に接続されています。ワイパーは、通常、他の 2 つの端子の間にある 3 番目の端子 (F) に接続されています。パネル ポテンショメータでは、ワイパーは通常、3 つの端子のうちの中央の端子です。1 回転ポテンショメータの場合、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、シャフトが回転するハウジングの間の狭い空間です。

もう 1 つのタイプはリニア スライダー ポテンショメータで、回転するのではなく、リニア要素に沿ってスライドするワイパーを備えています。スライダー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るため、効果的な密閉が難しくなり、長期的な信頼性が損なわれます。スライダー ポテンショメータの利点は、スライダーの位置によって設定が視覚的に表示されることです。回転式ポテンショメータの設定はノブのマークの位置で確認できますが、スライダーの配列によって、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、プラスチック内の炭素粒子、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、導電性特性を提供するカーボンに加えて、耐久性のある樹脂とポリマー、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て操作しますが、1 回転未満ではなく、数回回転します。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 コンタクトを備えた線形抵抗素子を持つものもあれば、らせん状の抵抗素子と、回転しながららせんに沿って 10、20、またはそれ以上の回転を行うワイパーを持つものもあります。マルチターン ポテンショメータは、ユーザーがアクセス可能でプリセットも可能であり、より細かい調整が可能です。同じ角度で回転すると、設定は通常、単純な回転式ポテンショメータの 10 分の 1 だけ変化します。

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多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極限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 エレクトロニクスが標準になる前は、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、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すると、通常の使用パターンが最も満たされ、ノブを軸方向に押すことで、スイッチがプッシュ アクションで交互にオンとオフになります。

その他のポテンショメータは機器内に収納されており、製造時または修理時に機器を較正するときにのみ調整され、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、これらはユーザーがアクセス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」、または「プリセット」ポテンショメータ (またはポット)、または一般的なブランド名「トリムポット」と呼ばれます。

スライダーの位置と抵抗の関係は「テーパー」または「法則」と呼ばれ、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更することで製造時に制御できます。原理的にはどのようなテーパーも可能ですが、広く製造されているのは線形ポテンショメータと対数ポテンショメータ (別名「オーディオ テーパー」) の 2 種類です。

使用されているテーパー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、対数テーパーの場合は「A」、線形テーパーの場合は「B」、まれに見られる逆対数テーパーの場合は「C」とマークされています。その他のポテンショメータ、特にヨーロッパ製のポテンショメータには、線形テーパーの場合は「A」、対数テーパーの場合は「C」または「B」、逆対数テーパーの場合は「F」とマークされている場合があります。^[2]使用されるコードも、製造元によって異なります。非線形テーパー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% の対数テーパーは、回転の中間点における総抵抗の 10% を測定します。つまり、10 kOhm のポテンショメータで 10% の対数テーパーは、中間点で 1 kOhm 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（リニアはデバイスの電気的特性を表し、抵抗素子の形状を表していない）は、一定の断面積の抵抗素子を備えており、その結果、接点（ワイパー）と一方の端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が実現します。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。たとえば、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。

対数テーパ 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。基本的に、これはポテンショメータの中心位置がポテンショメータの合計値の半分ではないことを意味します。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 ポテンショメータは、一方の端からもう一方の端まで「テーパ」する抵抗素子、または一方の端からもう一方の端まで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、出力電圧がスライダー位置の対数関数となるデバイスが実現します。

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ではありませんが、2つの異なる抵抗（ただし抵抗率は一定）の領域を使用して対数法則を近似します。2つの抵抗トラックは、ポテンショメータの回転の約50％で重なり合います。これにより、段階的な対数テーパが得られます。^[5]対数ポテンショメータは、線形ポテンショメータと外部抵抗器を使用して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大幅に高価です。

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。

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 (静電容量式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い、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。ただし、アブソリュート エンコーダも同様の原理を使用する必要がありますが、産業用であるため、家庭用機器で使用するにはコストが高すぎることは間違いありません。

回路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られました。^[7]ギリシャ語のῥέος rheos (流れ) と - στάτης - states ( ἱστάναι histanai (設定する、立たせる) から来ており、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。低電力アプリケーション (約1ワット未満) では、3端子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)、抵抗線を半円形の絶縁体に巻き付け、ワイパーをワイヤの 1 巻きから次の巻きへとスライドさせるようにしてレオスタットを製作できます。レオスタットは、耐熱シリンダに抵抗線を巻き付けて作られる場合もあり、スライダーは抵抗線の巻きのごく一部を軽くつかむ多数の金属フィンガーでできています。「フィンガー」は、スライド ノブで抵抗線のコイルに沿って移動でき、「タップ」ポイントを変更できます。定格が数千ワットまでの巻線レオスタットは、DC モーター ドライブ、電気溶接制御、または発電機の制御などの用途で使用されます。レオスタットの定格は全抵抗値で示され、許容される電力消費は回路内のデバイスの総抵抗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をテストするための 負荷バンクとして使用されます。

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  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）
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  チャールズ・ホイートストンの1843年可動ヒゲ付き可変抵抗器
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  可変抵抗器の電子記号
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  トリマー可変抵抗器の電子記号
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  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通じて、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。主な機能タイプには、電源が切れると設定位置が失われ、通常は最小位置で初期化されるよう設​​計された揮発性と、フラッシュメモリやEEPROMに似たストレージメカニズムを使用して設定位置を保持する不揮発性の 2 つがあります。

デジポットの使用は、単純な機械式ポテンショメータの使用よりもはるかに複雑で、遵守すべき制限も多数あります。それでも、機械式ポテンショメータの制限が問題となるような場合に、工場での機器の調整や較正に広く使用されています。デジポットは、他の半導体デバイスと同程度に、中程度の長期の機械的振動や環境汚染の影響を受けにくく、さまざまな手段でプログラミング入力へのアクセスを保護することで、不正な改ざんから電子的に保護できます。

マイクロプロセッサ、FPGA、または設定を保存し、機器の電源を入れるたびに「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、設定分解能が向上し、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は、抵抗電圧分割器に接触するためにスライド要素によって変形される導電性メンブレンを使用します。直線性は、材料、設計、製造プロセスに応じて 0.50% ～ 5% の範囲になります。繰り返し精度は通常 0.1 mm ～ 1.0 mm で、理論的には無限の分解能があります。これらのタイプのポテンショメータの耐用年数は、製造中に使用される材料と作動方法に応じて、通常 100 万～ 2000 万サイクルです。接触式と非接触式 (磁気式) の 2 種類があります (位置を感知するため) 。PET、FR4、カプトンなど、さまざまな材料のバリエーションがあります。メンブレンポテンショメータの製造元は、リニア、ロータリー、およびアプリケーション固有のバリエーションを提供しています。リニアバージョンの長さは 9 mm ～ 1000 mm、ロータリーバージョンは直径 20 ～ 450 mm で、高さはそれぞれ 0.5 mm です。メンブレンポテンショメータは位置感知に使用できます。^[11]

抵抗技術を使用するタッチスクリーン デバイスの場合、2 次元の膜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性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て、下層に接触させます。抵抗層の端には導電性接点があります。接触点の位置を特定するには、反対側の端に電圧を印加し、他の 2 つの端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 つの端の接続を解除し、以前は未接続だった他の 2 つに電圧を印加すると、もう 1 つの座標が提供されます。端のペアをすばやく切り替えると、位置が頻繁に更新されます。アナログ/デジタル コンバータによって出力データが提供されます。

このようなセンサーの利点は、センサーへの接続が 5 つだけで済み、関連する電子機器が比較的単純なことです。もう 1 つの利点は、小さな領域で最上層を押し下げる素材であれば何でも機能することです。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。もう 1 つの欠点は、タッチ位置を下にあるディスプレイに合わせるために、センサーを時々調整する必要があることです。(静電容量センサーは調整や接触力は不要で、指または他の導電性物体の近接性のみが必要です。ただし、はるかに複雑です。)

ポテンショメータは、大量の電力（1 ワット以上）を直接制御するためにはあまり使用されません。代わりに、アナログ信号のレベルを調整するため（たとえば、オーディオ機器の音量を制御するため ）や、電子回路の制御入力として使用されます。たとえば、調光器では、ポテンショメータを使用し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、製造時やサービス時に調整が必要な電子機器のあらゆる場所で広く使用されています。

ユーザ操作式ポテンショメータは、ユーザ制御として広く使用されており、非常に幅広い機器機能を制御できます。 1990 年代には、民生用電子機器におけるポテンショメータの広範な使用は減少し、現在では回転式増分エンコーダ、上下押しボタン、およびその他のデジタル制御が一般的になっています。 ただし、ボリューム コントロールや位置センサーなど、多くの用途でポテンショメータは使用されています。

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」、つまり、ポテンショメータは、対数 (log) 形式の抵抗、テーパ、または「曲線」(または法則) を持ち、オーディオ パワー アンプのボリューム コントロールとして使用されます。人間の耳の振幅応答はほぼ対数的であるため、「オーディオ テーパ ポット」とも呼ばれます。これにより、たとえば 0 から 10 までマークされたボリューム コントロールで、5 に設定すると、主観的には 10 に設定する場合の半分の音量に聞こえます。また、対数ポテンショメータの逆であるアンチ ログ ポットまたは逆オーディオ テーパもあります。これは、たとえばオーディオ バランス コントロールで、対数ポテンショメータと連動して使用されることがほとんどです。

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方法で使われることがあります。スライド タイプかロータリー タイプかに関係なく、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) ピンの測定値の線形関係を表します。

ポテンショメータは、以前は画像の明るさ、コントラスト、および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、受信機の内部スイープ回路 (場合によってはマルチバイブレータ) と受信した画像信号間の同期に影響を与える「垂直ホールド」の調整によく使用されていました。また、オーディオ ビデオ キャリア オフセット、チューニング周波数 (プッシュ ボタン セットの場合) などにも影響します。また、波の周波数変調にも役立ちます。

ポテンショメータは、サーボ機構などの閉ループ制御を作成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。

ポテンショメータは、構造が簡単で大きな出力信号を出力できるため、 変位 トランスデューサの一部としても広く使用されています。

アナログ コンピュータでは、高精度のポテンショメータを使用して、中間結果を必要な定数係数でスケーリングしたり、計算の初期条件を設定したりします。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使用して三角関数の近似値を提供する関数発生器として使用できます。たとえば、シャフトの回転は角度を表し、電圧分割比は角度の余弦に比例するようにすることができます。

ポテンショメータは、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、スライダー (ワイパー) で手動で調整可能な出力電圧を得るための 電圧分割器として使用できます。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ます。 $${\displaystyle V_{\mathrm {L} }={R_{2}R_{\mathrm {L} } \over R_{1}R_{\mathrm {L} }+R_{2}R_{\mathrm {L } }+R_{1}R_{2}}\cdot V_{s}.}$$

R _Lが他の抵抗に比べて大きい場合（オペアンプの入力など）、出力電圧はより簡単な式で近似できます。 （全体をR _Lで割り、R _{L を}分母とする項をキャンセルします） $${\displaystyle V_{\mathrm {L} }={R_{2} \over R_{1}+R_{2}}\cdot V_{s}.}$$

例として、、、、および${\displaystyle V_{\mathrm {S} }=10\ \mathrm {V} }$${\displaystyle R_{1}=1\ \mathrm {k\オメガ } }$${\displaystyle R_{2}=2\ \mathrm {k\オメガ } }$${\displaystyle R_{\mathrm {L} }=100\ \mathrm {k\Omega } .}$

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}おおよそ次のようになります。 $${\displaystyle {2\ \mathrm {k\Omega } \over 1\ \mathrm {k\Omega } +2\ \mathrm {k\Omega } }\cdot 10\ \mathrm {V} ={2 \over 3 }\cdot 10\ \mathrm {V} \約 6.667\ \mathrm {V} .}$$

ただし、負荷抵抗のため、実際にはわずかに低くなります: ≈ 6.623 V。

電源と直列の可変抵抗器と比較した分圧器の利点の 1 つは、可変抵抗器には最大抵抗があり、常にいくらかの電流が流れるのに対し、分圧器では、ワイパーがポテンショメータの一端から他端まで移動すると、出力電圧を最大 ( V _S )から接地(0 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あります。

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。

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、これがパチパチ音の原因となります。^[12]

• 電位差センサー
• トリマー
• 電動ポテンショメータ

• ポテンショメータ ハンドブック; 1ed; Carl Todd; McGraw-Hill; 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ついて説明しています。(ダウンロード)
• 非接触ポテンショメータ; AS5600 は、高解像度の 12 ビット アナログまたは PWM 出力を備えた、プログラムしやすい磁気回転位置センサです。この非接触システムは、直径方向に磁化された軸上の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 アプリケーション用に設計されています。(AS5600)

ウィキメディア・コモンズには、ポテンショメータに関連するメディアがあります。

• ポテンショメータ初心者ガイド
• 測定ポテンショメータの写真
• 各種測定ポテンショメータを含む電気校正装置
• ポットの秘密の生活 - ポテンショメータの分解と修理
• 可変抵抗器の製作
• 電圧分割器としてのポテンショメータの計算 - 負荷ありおよび開回路（無負荷）
• 馴染みのある出力と珍しい特性を持つポテンショメータの構築方法 (AS5600 - 非接触ポテンショメータ)