ポテンショメータについて知っておくべきこと

ポテンショメータとは？

ポテンショメータ、つまり「ポット」は、エンジニアの間で一般的に知られているように、基本的に抵抗を手動で変更できる機械的調整機構を組み込んだ抵抗器です。抵抗器は、ご存知のように固定抵抗値を提供し、回路内の電流の流れを遮断または抵抗します。ポテンショメータは基本的に可変の抵抗器です。

ポテンショメータは、回路への電圧出力を調整し、電位を正確に測定（またはメーター）するために使用できる分圧器として機能します。つまり、ポテンショメータという名前そのものです。これらは、抵抗素子上のワイパーの物理的位置に比例する連続可変電圧出力信号を生成します。これらは受動部品であるため、機能するために電源や追加の回路は必要ありません。

ポテンショメータの歴史概要

1800年代初頭の電気の研究と開発の爆発により、装置や回路に入る電気の量を制御するために使用できるコンポーネントの考えは多くの人々によって探求されましたが、ポテンショメータの概念は1841年まで提案されませんでした。最初に機能する炭素ポテンショメータがトーマス・エジソンによって発明されるまでには、1872年までかかったのです。

今日利用可能なポテンショメータは、以前のデバイスよりも大幅に小さく、精度が高く、用途に応じてさまざまなタイプとパッケージで提供されています。光レベル、オーディオ音量とオーディオ信号、ビデオの明るさと色などの値を制御するためのデバイスやシステムでよく使用されます。これらはポジションセンサーとしても機能します。

ポテンショメータはどのように機能しますか？

物体の抵抗はいくつかの要因に依存しています。他のすべてのものが一定に保たれている状態で、物体の抵抗は、その長さに直接比例します。言い換えれば、長さ10センチメートルの同じ材料と同じサイズの断面の物体は、長さ20センチメートルの別の物体の抵抗の半分になります。ポテンショメータはこの原理を使用します。ポテンショメータの調整可能な出力は、均一な抵抗素子にわたって摺動接触の直線または回転位置を変化させ、電流が流れる経路を延長または短縮することによって達成されます。入力電圧は抵抗素子の全長にわたって印加され、出力電圧は固定抵抗素子と摺動または回転接点との間の降下として印加されます。抵抗素子にわたる移動可能な接点の位置は、回路に適用される入力電圧の量を決定します。

ポテンショメータは、入力電力を放散しなければならず、許容できない熱を生成するため、1ワット以上の制御に使用されることは極めてまれです。代わりに、他のコンポーネントが電力を制御するために使用するアナログ信号を調整することによって動作します。例えば、単純な光調光器は、ポテンショメータを使用して、光の輝度を変化させるTRIACを制御する。

利用可能なポテンショメータの種類

ポテンショメータは、主に、アナログとデジタルの２つの形式があります。従来のアナログポテンショメータでは、機械的な要素を使用して手動で操作し、出力を制御します。アナログポテンショメータは、リニアおよびロータリーの形式で使用できます。

回転式ポテンショメータは、抵抗素子を横切ってスライドするワイパー素子に接続した、回転ノブとシャフトからの角度の動きを使います。このシャフトを回すと、抵抗と出力が変わります。ポテンショメータは、通常、ワイパーを移動させるためにシャフトの代わりにドライバーなどの外部ツールでシャフトレスにすることもできます。これらは、トリマー・ポテンショメータまたはトリマーと呼ばれます。

リニアポテンショメータは、抵抗素子に接触し、抵抗と出力を変化させるために、スライドを介してリニア（または直線）の動きを使用します。

デジタルまたは電子ポテンショメータは、機械的な動きではなく、デジタル信号によって制御され、出力を変化させます。この記事では、アナログポテンショメータに注目します。

その他のポテンショメータのサブタイプ

アナログポテンショメータには、リニアおよびロータリーの両方のさまざまなサブタイプがあり、アプリケーションに指定できます。これには、以下が含まれます。

• プリセットとトリマー： これらは小型の、通常は小型のドライバーで調整されたボードマウント型デバイスで、回路のチューニングとキャリブレーションに使用されます。プリセットには特定の値があり、トリマーはマルチターンスクリューを介して高解像度を提供します。これらは主にシステムの較正中に使用され、ほとんどの場合固定位置に留まります。
• デュアル・ギャング： これらは、2つのチャネルの並列設定を可能にする同じシャフトに組み合わされた2つのポテンショメータです。
• サーボ・ポット： これは、ポテンショメータが入力パルスに対応する位置を示すまで、モータを回転させるために印加されるパルスを測定することで位置を感知できる回転シャフト（モーター）に取り付けられたポテンショメータです。多くの場合、ロボット工学や精密な動きの制御が必要なアプリケーションに使用されます。
• 対数： これらの変化抵抗は、ポテンショメータが調整される際に対数的に変化し、人間の耳の対数音応答を密接に追跡します。オーディオ機器で音量コントロールとして使用されます。
• 同心性： 2つの回転ポテンショメータをシャフトと共に同じ軸に積み重ねることで、1つの取り付け穴から音量とトーンをコントロールできます。
• サムホイール： 触覚エッジの回転ホイールを使用して、指先でデバイスを調整できます。通常、音量と輝度の制御に使用されます。
• スライド&デュアルスライド： 抵抗素子とスライディング接点を使用して、直線運動を介して抵抗を調整します。これにより、スライダー位置と出力抵抗との間に線形関係が生まれます。つまり、このタイプは抵抗位置センサ（線形変位センサ）としても使用することができます。デュアルスライド・ポテンショメータは、2つのポテンショメータを並列に制御する1つのスライダーを備えています。スライドポットは、スタジオミキサー、フェイダー、またはグラフィック・イコライザーでよく使用されます。
• 電動スライド： 小型のDCモーターとタイミングプーリーによって駆動されるタイミングベルトを備えたスライド・ポテンショメータを採用し、自動リモートコントロールを可能にします。産業用オートメーションおよびプロセス制御アプリケーションで一般的に使用されます。
• シングルターンおよびマルチターン： シングルターンポットは、コントロールノブを1回転で約3⁄4回転させるだけで、アプリケーションに適したコントロール解像度を提供します。マルチターンポットは、コントロールノブを複数回回転させることができ、高解像度が必要な場合に精度を向上させます。

ポテンショメータとレオスタットの違いは何ですか？

これら2つのデバイスの違いの最も基本的な説明は、電位差計が電圧制御に使用される3つの端子デバイスであるということです。レオスタットは、電流制御に使用される2つの端末装置です。しかし、ポテンショメータの片脚を接続せずに放置するだけで、レオスタットとしてポテンショメータを使用することができます。

レオスタットは一般的に、ランプやモーターなどの機器への電流の流れを制御するために、高電流用途で使用される高ワットのワイヤー巻可変抵抗器です。それらには、抵抗素子上のスライド要素の位置を変えることによって、増分ステップで抵抗を変えるヘビーデューティワイヤのコイルが含まれます。レオスタットは抵抗値ではなく、大きな電力レベルを処理する能力によって指定されます。

ポテンショメータと回転エンコーダーは同じですか？

回転エンコーダーは、シャフトの角度位置または動きをデジタル信号に変換する電気機械装置です。ポテンショメータと回転エンコーダーは両方ともシャフトの回転を感知しますが、異なる原理を使用して動作し、異なるレベルの複雑さを持ち、異なるセットアップを必要とします。

ポテンショメータは基本的にアナログデバイスですが、デジタルのバリエーションもあります。回転エンコーダーは、位置を示すためにバイナリロジックを使用するデジタルデバイスであるため、出力を使用可能な信号に変換するには別の回路が必要です。

ポテンショメータは、回転エンコーダーよりもセットアップが簡単で、無限可変入力を可能にし、非線形方式で電圧を分割でき、他のアナログデバイスを簡単に制御できます。一方、回転エンコーダーは、連続的に回転し、デジタル信号を持ち、優れた分解能を提供することができ、ポテンショメータよりも高価になりがちですが、モーター制御の精度は、産業、オートメーション、ロボット工学に独自の方法で理想的です。

ポテンショメータ・テーパーについて

ポテンショメータ・テーパーは、デバイスの電機子が回転したり、抵抗素子上でワイパーがスライドしたりするにつれて抵抗が変化する方法です。一部のポテンショメータ設計では、これは直線関係であり、電機子またはスライドがその中間位置にあるとき、可変抵抗はポテンショメータのフルスケール抵抗の半分であることを意味します。

他のデザインは、人間の耳の対数音応答をより密接に模倣する非線形の対数テーパー（オーディオテーパーとも呼ばれる）を提供します。これにより、オーディオ音量コントロールのフルローテーションまたはスライド全体で、よりバランスの取れた音量調整のインプレッションが得られます。逆対数ポテンショメータもあり、これは逆動作設計を提供します。これらは、例えば、反時計回りに機能するオーディオコントロールなどで使用されます。

ポテンショメータの抵抗定格

ポテンショメータは通常、全体的な抵抗値によって評価され、指定されます。この抵抗値は、一方の端子から他方の端子までの抵抗要素全体に関連しています。したがって、1 kΩ（キロオーム）定格のポテンショメータは、そのトラックの両端で1 kΩの固定抵抗に等しい抵抗値を持ちます。

ポテンショメータの調達時に考慮すべきその他のパラメータには、以下のようなものがあります。

• 定格電力： デバイスが損傷なく処理できる最大電力。
• 分解能： 抵抗素子上の接点の各増分移動によって引き起こされる総抵抗および変化する抵抗のパーセントとして表される、ポテンショメータの精度。
• スライド・ノイズ： 内部接触部品の動きによって発生する電子ノイズの量。
• 温度係数： 観察された抵抗が、そのデバイスの動作温度の関数としていかに変化し得るか。
• 機械的寿命： そのデバイスが仕様どおりにどれくらい長く動作するか。通常はサイクル数で表される。

該当する記号およびマーク

回路設計のポテンショメータ記号は異なる可能性があります。ANSI（アメリカ）規格は、ジグザグ線が間にある2本の直線です。IEC（欧州）規格は、2本の直線の間の長方形です。

個々のデバイスは通常、100 kΩポテンショメータの1Kの場合のように、正確な抵抗値でデバイス上にマークされます。また、3桁のコード、デバイスの値を表す最初の2桁、乗数を表す最後の桁でマークすることもできます。米国およびアジアで製造される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、逆数テーパーの場合はCのマークが付けられます。

ポテンショメータの利点と欠点

他の電子機器と同様に、最終仕様の前に計量する必要がある用途でポテンショメータを使用することには利点と欠点があります。ポテンショメータの利点には、シンプルな設計、低コスト、幅広い抵抗範囲、簡単で効率的な操作、実証済みの技術などがあります。その欠点の一部には、帯域幅の制限、電流処理能力の制限、摩耗や汚染の影響を受ける機械的動作、潜在的な電気的ノイズ生成などがあります。

仕様の前に尋ねるべき質問

答えるべき基本的な質問には、以下があります。

• 必要なデバイス仕様（抵抗値、抵抗範囲、電力容量など）は何ですか？
• 自分の設計には回転またはスライド機能が必要ですか？
• 線形または対数テーパーが必要ですか？
• 仕様を満たすには、デバイスはどのくらいの期間機能する必要がありますか？
• デバイスは過酷な環境条件で使用されますか？
• どのようなフットプリントが必要ですか。
• デバイスはどのように取り付けられますか？

一般的なアプリケーション

前述のように、ポテンショメータは、ボリューム、輝度、コントラスト、カラーなどを含むオーディオおよびビデオデバイスまたはシステムの値を制御するために一般的に使用されます。また、テスト機器の電圧測定や、プロセス制御やオートメーションシステムの位置検出にも使用できます。その柔軟性と、レオスタットとしてポテンショメータを使用する機会さえも、ポテンショメータがこれらのより一般的なアプリケーションから分岐して、ほぼすべてのアナログおよび多くのデジタルアプリケーションに統合することを可能にしました。回路を積極的に制御したり、回路からフィードバックを受け取る機会があれば、ポテンショメータを検討することができます。

概要

ポテンショメータは、多くの種類の電子または電気装置またはシステムで電圧制御または測定に必要な機能を提供するために、実証済みの技術を使用する比較的単純な装置です。また、直線運動または回転運動の正確な検知および測定も提供できます。幅広いパッケージ、定格、サイズ、設計で利用可能であるため、さまざまなアプリケーションに対応できます。CUI Devicesは、幅広い抵抗定格を持つさまざまなポテンショメータを提供しています。