2. Was ist ein Potentiometer?
Potentiometer in drei Schritten erklärt:
Schritt 1: Ausgangspunkt elektrischer Widerstand
Die Elektrotechnik kennt eine Vielzahl von Bauelementen, die zusammen eine elektronische Schaltung bilden können. Eines der bekanntesten passiven Bauelemente ist der elektrische Widerstand (engl. Resistance), mit dem fast jeder Schüler im Physikunterricht Bekanntschaft gemacht hat. Bereits 1821 formulierte Georg Simon Ohm das Ohmsche Gesetz, welches besagt, dass der elektrische Widerstand (R) eines Werkstoffes der Quotient aus elektrischer Spannung (U) und elektrischem Strom (I) ist. Als Einheit wird international das Ohm verwendet. In elektrischen Schaltbildern benutzt man, nach deutscher Norm, für den Widerstand ein Rechteck, welches links und rechts über jeweils einen Anschluss verfügt. Allgemein gesprochen kann man den elektrischen Widerstand als eine Art "Bremse" für den elektrischen Strom auffassen. Seine Wirkungsweise lässt sich sehr anschaulich durch das sogenannte "Wasserrohrmodell" erklären:
Wenn man durch ein Rohr Wasser mit einem bestimmten Druck presst, so fließt pro Zeiteinheit eine bestimmte Wassermenge. Erhöht man den Druck, so fließt mehr Wasser und umgekehrt. Verringert man hingegen den Durchmesser des Rohres, so fließt weniger Wasser.
In diesem Modell entspricht der Druck der elektrischen Spannung, die Wassermenge findet ihre Entsprechung im Strom und das Rohr selber, mit Länge und Durchmesser, steht für den Widerstand.
Schritt 2: Anwendung Potentiometerschaltung (Spannungsteiler)
Es gibt Anwendungsfälle, in denen man eine elektrische Spannung um einen bestimmten konstanten Faktor verkleinern will. Zu diesem Zweck schaltet man einfach zwei Widerstände, hier als R1 und R2 bezeichnet, in Reihe. Die Eingangsspannung Ue wird über den beiden Widerständen angelegt und die (kleinere) Ausgangsspannung Ua wird über dem Widerstand R2 abgegriffen. Die entsprechende Schaltung zeigt das folgende Bild:
Prinzip des Spannungsteilers
Diese Art des Spannungsteilers wird auch als Potentiometerschaltung bezeichnet. Damit hätten wir also schon unseren ersten "Aha-Effekt":
Ein Potentiometer muss etwas mit einem Spannungsteiler zu tun haben!
Unserem Spannungsteiler fehlt jedoch noch eine wichtige Eigenschaft, denn die Werte der beiden Widerstände, und damit auch das Teilungsverhältnis, sind fest! Bei einem Potentiometer kann man jedoch an einer Achse drehen oder einen Regler verschieben und damit eine Veränderung vornehmen. Sehen wir also, wie es weitergeht.
Schritt 3: Anwendung als einstellbarer Spannungsteiler
Manchmal möchte man auch das Teilungsverhältnis eines Spannungsteilers verändern können. Dann muss man mindestens einen, besser jedoch beide Widerstände in ihrem Wert manipulieren. In der Praxis macht man das so, dass der Widerstand mit einem dritten verschieblichen Anschluss versehen wird. Dieser als "Schleifer" bezeichnete Gleitkontakt teilt die Widerstandsbahn in zwei Teilwiderstände auf. Die Summe dieser beiden Widerstände entspricht dabei immer dem Wert des gesamten Widerstandes. Das nächste Bild verdeutlicht das Prinzip:
Prinzipieller Aufbau eines Potentiometers in Schichtbauweise
Steht der Schleifer in der Mitte, so sind die Teilwiderstände gleich groß. Steht der Schleifer auf einem Viertel der Bahnlänge, so hat ein Widerstand 25% des gesamten Widerstandes und der andere 75%. Durch den Schleifer auf der Widerstandsbahn ist also eine stetige Änderung des Widerstandsverhältnisses möglich. Somit wären wir bei unserem zweiten "Aha-Effekt", der zur folgenden Erkenntnis führt:
Ein Potentiometer ist ein aus zwei Widerständen bestehender veränderlicher Spannungsteiler.
Durch seine Konstruktion besteht das Potentiometer also aus einer Reihenschaltung zweier veränderlicher Widerstände, die in der Summe einen stets konstanten Wert aufweisen. Mit diesen Erkenntnissen ist klar geworden, was ein Potentiometer eigentlich ist. Nämlich ein einstellbarer Spannungsteiler. Aber dieses Bauelement kann noch mehr! Schließt man nur den Schleifer und einen der beiden Endanschlüsse an, so haben wir einen einstellbaren Widerstand. Somit kann man Potentiometer immer einsetzen, wenn es darum geht, eine Spannung oder einen Widerstandswert kontinuierlich zu verändern.
