Biến trở là gì? Cấu tạo và ứng dụng của biến trở

Biến trở là gì?

Biến trở tiếng anh gọi là (potentiometer) là một điện trở ba cực với tiếp điểm trượt hoặc xoay tạo thành một bộ chia điện áp có thể điều chỉnh được. Nếu chỉ sử dụng hai cực, một đầu và đầu gạt, nó hoạt động như một biến trở hoặc biến trở.

Thiết bị đo lường, được gọi là biến trở, về cơ bản là một bộ chia điện áp được sử dụng để đo điện thế (điện áp), linh kiện này là một ứng dụng của cùng một nguyên lý, do đó có tên gọi như vậy.

Thuật ngữ

Một số thuật ngữ trong ngành điện tử được sử dụng để mô tả một số loại chiết áp nhất định là:

• Pot: viết tắt của chiết áp.
• Slide pot hoặc slider pot: chiết áp được điều chỉnh bằng cách trượt cần gạt sang trái hoặc phải (hoặc lên xuống, tùy thuộc vào cách lắp đặt), thường bằng ngón tay hoặc ngón cái.
• Thumb pot hoặc thumbwheel pot: chiết áp xoay nhỏ, được thiết kế để điều chỉnh không thường xuyên bằng một bánh xe nhỏ.
• Trimpot hoặc trimmer pot: chiết áp trimmer thường được thiết kế để điều chỉnh một lần hoặc không thường xuyên để “tinh chỉnh” tín hiệu điện.

Cấu tạo của biến trở

Biến trở gồm có phần tử điện trở, tiếp điểm trượt (wiper) di chuyển dọc theo phần tử này và tạo tiếp xúc điện tốt tại một vị trí nhất định, hai đầu cực điện ở mỗi đầu của phần tử điện trở, cơ cấu điều chỉnh giúp wiper di chuyển từ đầu này sang đầu kia, và vỏ bảo vệ bao quanh toàn bộ phần tử cùng bộ phận trượt.

Nhiều loại biến trở giá rẻ được chế tạo với phần tử điện trở (B) tạo thành một cung tròn, thường nhỏ hơn một vòng tròn hoàn chỉnh, cùng với wiper (C) trượt trên phần tử này khi quay để tạo tiếp xúc điện. Phần tử điện trở có thể phẳng hoặc nghiêng. Mỗi đầu của phần tử điện trở được nối với một cực điện (E, G) trên vỏ. Wiper được nối với cực thứ ba (F), thường nằm giữa hai cực còn lại.

Trong biến trở gắn bảng, cực giữa thường là cực của wiper. Với biến trở một vòng quay, wiper thường di chuyển gần một vòng đầy đủ quanh phần tử tiếp xúc. Điểm duy nhất mà bụi bẩn hoặc tạp chất có thể xâm nhập là khe hở nhỏ giữa trục quay và vỏ của nó.

Mối quan hệ giữa điện trở và vị trí trượt – “Taper”

Mối quan hệ giữa vị trí của cần trượt (slider) và giá trị điện trở được gọi là “taper” hay “đặc tuyến biến trở”. Mối quan hệ này có thể được điều chỉnh trong quá trình sản xuất bằng cách thay đổi thành phần hoặc độ dày của lớp điện trở dọc theo phần tử điện trở.

Về lý thuyết, có thể tạo ra bất kỳ dạng taper nào, nhưng trong thực tế, có hai loại phổ biến nhất được sản xuất rộng rãi:

• Tuyến tính
• Logarit – còn gọi là biến trở âm thanh.

Các loại biến trở

Biến trở côn tuyến tính

Biến trở côn tuyến tính (tuyến tính mô tả đặc tính điện của thiết bị, chứ không phải hình dạng của phần tử điện trở) có một phần tử điện trở có tiết diện không đổi, tạo ra một thiết bị mà điện trở giữa tiếp điểm (cần gạt) và một đầu cực tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng.

Biến trở côn tuyến tính được sử dụng khi tỷ số chia của biến trở phải tỷ lệ thuận với góc quay của trục (hoặc vị trí con trượt), ví dụ, các bộ điều khiển được sử dụng để điều chỉnh tâm màn hình trên máy hiện sóng tia âm cực analog. Biến trở chính xác có mối quan hệ chính xác giữa điện trở và vị trí con trượt.

Biến trở Logarithmic.

Biến trở logarit là loại biến trở có độ chênh lệch được tích hợp sẵn trong phần tử điện trở, nghĩa là vị trí trung tâm của chiết áp không tương ứng với một nửa giá trị tổng của chiết áp.

Phần tử điện trở được thiết kế theo đường cong logarit, hay còn gọi là hàm mũ hoặc đồ thị “bình phương”. Chiết áp logarit được chế tạo với phần tử điện trở thu hẹp dần từ một đầu đến đầu kia, hoặc được làm từ vật liệu có điện trở suất thay đổi dần theo chiều dài.

Kết quả là, điện áp đầu ra sẽ là một hàm logarit của vị trí con trượt, nghĩa là điện áp không thay đổi tuyến tính mà thay đổi theo tỉ lệ logarit khi người dùng điều chỉnh chiết áp.

Biến trở logarit 

Biến trở logarit là loại biến trở có độ chênh lệch được tích hợp sẵn trong phần tử điện trở, nghĩa là vị trí giữa của biến trở không tương ứng với một nửa giá trị điện trở tổng.

Phần tử điện trở của loại biến trở này được thiết kế theo đặc tuyến logarit, hay còn gọi là hàm mũ hoặc đặc tuyến “bình phương”.

Biến trở logarit được chế tạo bằng cách:

• Sử dụng phần tử điện trở có dạng thu nhỏ dần (taper) từ đầu này sang đầu kia, hoặc
• Dùng vật liệu có điện trở suất thay đổi dọc theo chiều dài của phần tử.

Kết quả là, điện áp đầu ra của biến trở sẽ là một hàm logarit của vị trí trượt, tức là thay đổi theo tỉ lệ phi tuyến.

Biến trở không tiếp xúc

Không giống như biến trở cơ học, biến trở không tiếp xúc sử dụng đĩa quang để kích hoạt cảm biến hồng ngoại hoặc nam châm để kích hoạt cảm biến từ (miễn là có các loại cảm biến khác, chẳng hạn như cảm biến điện dung, thì có thể chế tạo các loại biến trở không tiếp xúc khác), sau đó một mạch điện tử sẽ xử lý tín hiệu để cung cấp tín hiệu đầu ra có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số.

Biến trở kỹ thuật số

Biến trở kỹ thuật số (thường được gọi là digipot) là một linh kiện điện tử mô phỏng chức năng của biến trở analog. Thông qua tín hiệu đầu vào kỹ thuật số, điện trở giữa hai cực có thể được điều chỉnh, giống như trong biến trở analog. Có hai loại chức năng chính: biến trở dễ bay hơi (volatile), mất vị trí cài đặt khi mất nguồn và thường được thiết kế để khởi tạo ở vị trí tối thiểu, và biến trở không dễ bay hơi (non-volatile), giữ nguyên vị trí cài đặt bằng cơ chế lưu trữ tương tự như bộ nhớ flash hoặc EEPROM.

Biến trở màng

Biến trở màng sử dụng một màng dẫn điện bị biến dạng bởi một phần tử trượt để tiếp xúc với bộ chia điện áp điện trở. Độ tuyến tính có thể dao động từ 0,50% đến 5% tùy thuộc vào vật liệu, thiết kế và quy trình sản xuất.

Độ chính xác lặp lại thường nằm trong khoảng từ 0,1 mm đến 1,0 mm với độ phân giải lý thuyết là vô hạn. Tuổi thọ của các loại biến trở này thường là từ 1 triệu đến 20 triệu chu kỳ tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất và phương pháp truyền động, có sẵn các phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc (từ tính) (để cảm biến vị trí).

Có nhiều biến thể vật liệu khác nhau như PET, FR4 và Kapton. Các nhà sản xuất biến trở màng cung cấp các biến thể tuyến tính, xoay và ứng dụng cụ thể. Các phiên bản tuyến tính có thể dài từ 9 mm đến 1000 mm và các phiên bản xoay có đường kính từ 20 đến 450 mm, mỗi biến thể có chiều cao 0,5 mm. Biến trở màng có thể được sử dụng để cảm biến vị trí

Ứng dụng của biến trở

Biến trở hiếm khi được sử dụng để điều khiển trực tiếp công suất lớn (trên khoảng 1 watt). Thay vào đó, chúng thường được dùng để điều chỉnh mức tín hiệu tương tự  ví dụ như nút chỉnh âm lượng trên thiết bị âm thanh  hoặc làm đầu vào điều khiển cho các mạch điện tử.

Ví dụ, mạch điều chỉnh độ sáng đèn sử dụng biến trở để điều khiển việc đóng/ngắt TRIAC, từ đó gián tiếp điều chỉnh độ sáng của đèn.

Biến trở chỉnh sẵn (preset potentiometer) được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, đặc biệt ở những nơi cần hiệu chỉnh trong quá trình sản xuất hoặc bảo trì.

Biến trở do người dùng điều khiển cũng được dùng phổ biến làm nút điều khiển cho nhiều loại thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, việc sử dụng biến trở trong thiết bị điện tử tiêu dùng giảm dần từ những năm 1990, khi các bộ mã hóa quay , nút bấm tăng/giảm và bộ điều khiển kỹ thuật số khác trở nên phổ biến hơn.

Dù vậy, biến trở vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như điều chỉnh âm lượng hoặc cảm biến vị trí.

Điều khiển âm thanh

Biến trở công suất thấp, gồm cả loại trượt và xoay, được sử dụng để điều khiển thiết bị âm thanh, giúp thay đổi độ lớn âm thanh, suy giảm tần số và các đặc tính khác của tín hiệu âm thanh.

Loại “log pot”  tức biến trở có đặc tuyến điện trở dạng logarit (logarithmic taper)  thường được dùng làm nút chỉnh âm lượng trong bộ khuếch đại công suất âm thanh (audio power amplifier), và còn được gọi là “audio taper pot”.

Điều kiển ti vi

Trước đây, biến trở được sử dụng để kiểm soát độ sáng, độ tương phản và phản hồi màu sắc của hình ảnh. Biến trở thường được sử dụng để điều chỉnh “giữ dọc”, ảnh hưởng đến sự đồng bộ giữa mạch quét bên trong của máy thu (đôi khi là bộ đa hài) và tín hiệu hình ảnh thu được, cùng với các yếu tố khác như độ lệch sóng mang âm thanh-hình ảnh, tần số điều chỉnh (đối với bộ nút nhấn chọn kênh), v.v. Biến trở cũng hỗ trợ điều chế tần số sóng.

Điều khiển chuyển động

Biến trở có thể được sử dụng như thiết bị phản hồi vị trí để tạo ra điều khiển vòng kín, chẳng hạn như trong cơ cấu servo. Phương pháp điều khiển chuyển động này là phương pháp đơn giản nhất để đo góc hoặc độ dịch chuyển.

Bộ chuyển đổi

Chiết áp cũng được sử dụng rất rộng rãi như một phần của bộ chuyển đổi dịch chuyển vì cấu trúc đơn giản và có thể cung cấp tín hiệu đầu ra lớn.

Tính toán

Trong máy tính tương tự, các biến trở có độ chính xác cao được sử dụng để chia tỷ lệ kết quả trung gian theo các hằng số mong muốn, hoặc để thiết lập các điều kiện ban đầu cho phép tính. Biến trở điều khiển bằng động cơ có thể được sử dụng như một bộ tạo hàm, sử dụng bảng điện trở phi tuyến tính để cung cấp các phép tính gần đúng cho các hàm lượng giác.