Co je to potenciometr?
Slovo potenciometr znamená na jedné straně název elektronické součástky a na druhé straně označuje také regulátor otáček pro EC motory. V takovém regulátoru otáček se obvykle používá tato elektronická součástka. V obou případech slovo „potenciometr“ znamená, že něco lze nastavit plynule proměnně.
Regulátor otáček pro EC motory
EC motor lze vnímat jako kombinaci střídavého motoru s vestavěným regulátorem otáček (viz také článek AC versus EC motory). Tento vestavěný regulátor otáček potřebuje informace o požadovaných otáčkách motoru. Potenciometr je jednou z možností, jak sdělit EC motoru požadované otáčky motoru. Proto je potenciometr někdy označován také jako regulátor otáček pro EC motory. Opravdový regulátor otáček je ve skutečnosti integrován do EC motoru, zatímco potenciometr je zařízení, pomocí kterého lze ručně nastavit požadovanou rychlost. Pomocí potenciometru lze plynule nastavit rychlost EC motoru.
Ale jak to funguje? Jak může potenciometr řídit EC motor? Odpověď je jednoduchá: prostřednictvím elektrického signálu. V technickém žargonu se tomu říká analogový signál. To znamená, že tento elektrický signál lze plynule nastavit mezi minimální a maximální hodnotou. Nejčastěji používaným analogovým signálem je 0 až 10 Voltů.
Jinými slovy, potenciometr je zařízení, které převádí polohu otočného knoflíku na analogový signál (např. 0-10 Voltů). Tento analogový signál lze použít k ovládání jiného zařízení. Množství příkladů je nekonečné, ale ve světě vzduchotechniky jsou analogové signály široce používány k ovládání EC motorů, regulátorů s proměnnými otáčkami, polohování klapek pohonů, nastavení požadované teploty atd. V tomto článku budeme pokračovat v používání příkladu ovládání EC motoru. V tomto příkladu by se ventilátor zastavil, pokud je řídicí signál 0 Voltů. Když se řídicí signál (plynule proměnný) zvýší na 10 Voltů, ventilátor se zrychlí (plynule proměnně) na maximální otáčky, kterých je dosaženo při 10 Voltech.
Různé typy analogových signálů
V praxi existuje mnoho různých typů analogových signálů, z nichž každý má své výhody a nevýhody. Zařízení, které má být řízeno analogovým signálem, určuje, jaký typ signálu je požadován. V některých případech existuje více možností.
Zde uvádíme nejčastěji používané analogové signály:
- Napěťové signály (např. 0-10 voltů): Tyto analogové signály využívají k přenosu informace jiné napětí nebo potenciál. EC motor zjistí úroveň napětí analogového signálu a na základě toho určí požadovanou rychlost motoru. Tato forma analogového signálu je velmi oblíbená, protože hodnotu signálu lze snadno měřit voltmetrem. Díky tomu je odstraňování problémů mnohem jednodušší.
Nevýhodou je, že délka kabelu musí zůstat omezená. Kvůli elektrickému odporu kabelů dojde u delších kabelů k poklesu napětí (10 Voltů na začátku kabelu již nebude 10 Voltů na konci kabelu). To má za následek nižší přesnost. V příkladu EC motoru nebude možné dosáhnout maximální rychlosti ventilátoru, pokud je kabel analogového signálu mezi potenciometrem a EC motorem příliš dlouhý. Důvodem je, že analogový řídicí signál nemůže dosáhnout maximální hodnoty 10 Voltů kvůli poklesu napětí v dlouhém kabelu. - Elektrický odpor (např. 0 až 10 kΩ): Toto je nejznámější způsob sdělování hodnoty ve světě elektroniky. Mimochodem, potenciometr je také elektronická součástka s proměnnou hodnotou odporu - více o tom později v tomto článku. Zpět k našemu příkladu s EC motorem. EC motor určí požadovanou rychlost motoru na základě hodnoty odporu analogového signálu. I zde bude mít delší kabel mezi potenciometrem a EC motorem za následek snížení přesnosti v důsledku zvyšujícího se elektrického odporu kabelu. Pokud však lze udržet krátkou délku kabelu mezi oběma zařízeními, je to jednoduché a cenově výhodné řešení.
- Proudové signály (např. 4-20 mA): Analogové signály, které pro sdělení hodnoty mění elektrický proud. EC motor určí rychlost motoru na základě proudu analogového signálu. Čím více mA je detekováno, tím vyšší je rychlost motoru. V tomto příkladu odpovídá 20 mA maximální rychlosti motoru.
Velkou výhodou je, že nedochází ke ztrátě přesnosti v případě zvětšování délky kabelu. Zvýšený elektrický odpor kabelu bude kompenzován analogovým signálem a bude dosaženo požadovaného proudu. Může být také detekováno přerušení kabelu (0 mA může nastat pouze v případě přerušení kabelu, protože minimální hodnota analogového signálu je 4 mA). Detekce možných chyb je složitější, protože proud se měří obtížněji než napětí. - Frekvenční signály (např. Pulse-Width Modulation nebo-li PWM): Tento typ analogového signálu se také nazývá sled pulzů. Jedná se o konstantní sérii impulsů se stejnou amplitudou (napětím). Rozdíl je ve frekvenci a šířce pulzů. EC motor přijímá konstantní sérii elektrických impulsů. Otáčky motoru jsou určeny na základě frekvence a doby trvání impulsů. Tato forma analogového signálu není citlivá na zvyšující se elektrický odpor nebo poklesy napětí v důsledku delších délek kabelů. Ke správné interpretaci sledu pulsů je zapotřebí pokročilejší elektroniky a detekce případných chyb je také méně snadná.
Všechny tyto analogové signály nakonec dělají totéž: přenášejí nebo sdělují určitou hodnotu mezi různými zařízeními. Rozdíl mezi těmito typy analogových signálů lze chápat jako sdělování stejné zprávy v jiném jazyce.
Shrnuto: Napěťové signály a elektrický odpor jsou jednoduché a vhodné pro kratší vzdálenosti, proudové a frekvenční signály jsou složitější a vhodnější pro delší vzdálenosti.
Elektronická součástka "potenciometr"
Pro vysvětlení principu fungování potenciometru někomu bez technického vzdělání se někdy používá přirovnání k vodovodnímu kohoutku, protože s tím má každý zkušenost z běžného života. Napětí pak odpovídá tlaku vody v potrubí. Elektrický proud odpovídá průtoku vody (kolik vody protéká). Elektrický odpor si lze představit jako „jak úzké“ je potrubí.
V tomto příkladu je potenciometr jako kohoutek, který otevírá nebo uzavírá potrubí:
- Otevřený kohoutek (nízký odpor) = více protékající vody (vysoký elektrický proud)
- Uzavřený kohoutek (vysoký odpor) = méně protékající vody (nízký elektrický proud)
Potenciometr samozřejmě nemá s vodou nic společného. Je to elektronická součástka se třemi vývody, která funguje jako proměnný odpor nebo dělič napětí. Skládá se z odporového prvku, posuvného nebo otočného kontaktu (tzv. jezdec) a tří vývodů: dva pevné vývody jsou připojeny ke koncům odporového prvku. Jeden proměnný vývod (jezdec) se pohybuje po odporovém prvku a tím mění odpor a následně i výstupní napětí.
Když je mezi dva pevné vývody přivedeno napětí, jezdec toto napětí rozděluje podle své polohy na odporovém prvku. Pohybem jezdce se mění odpor v jedné části obvodu a současně i v druhé části. Tím se upravuje napětí mezi jezdcem a jedním z pevných vývodů.
Shrnutí: „Napětí je tlak, proud je tok a odpor je to, jak obtížné je, aby proud tekl.“ Potenciometr je jednoduše ovládací prvek, který tuto „obtížnost“ mění. V elektronických obvodech se často používá k tomu, aby uživatel mohl snadno nastavit určitou hodnotu. Například hlasitost rádia nebo rychlost ventilátoru.
Potenciometr nevyrábí elektrickou energii. Pouze řídí, kolik elektřiny může projít. Tato elektřina musí být dodána z externího zdroje. V případě beznapěťových potenciometrů je elektrický signál (typicky 10 V) dodáván externím zařízením (např. EC motorem, frekvenčním měničem apod.). Potenciometr pak propouští více nebo méně tohoto signálu změnou elektrického odporu. Lze to opět přirovnat ke kohoutku. Beznapěťové potenciometry jsou jednoduchá zařízení, jejichž hlavní součástí je samotný potenciometr.
Existují také potenciometry, které dokážou samostatně generovat signál 0–10 V. Tato zařízení se někdy označují jako aktivní potenciometry, protože signál 0–10 V vytvářejí samy. Obsahují více elektronických součástek, vyhodnocují polohu ovládacího prvku a převádějí napájecí napětí na analogový signál. Obvykle umožňují volbu mezi signály 0–10 V, 0–20 mA nebo PWM, což je činí kompatibilními s různými typy zařízení.
Řídicí signál (např. 0–10 V) slouží k tomu, aby zařízením říkal, co mají dělat – nikoliv k jejich napájení. Při vyhodnocení signálu zařízení odebírá malé množství proudu. Připojení jednoho nebo několika zařízení není problém, ale pokud jich připojíte příliš mnoho, jejich celkový odběr je příliš vysoký. Vstupní impedance zařízení určuje, jak moc zařízení „zatěžuje“ signál 0–10 V.
- Vysoká vstupní impedance znamená, že zařízení odebírá minimum proudu – lze jich připojit více.
- Nízká vstupní impedance znamená, že zařízení odebírá více proudu – více zatěžuje signál.
Pokud je k signálu 0–10 V připojeno příliš mnoho zařízení, zdroj napětí potenciometru již nedokáže udržet 10 V. Analogový signál „poklesne“ (např. z 10 V na 8 V nebo méně). V důsledku toho zařízení dostávají nesprávný pokyn. Například motory již nedosáhnou maximální rychlosti (místo 10 V dostanou maximálně 8 V).
Elektrické kabely jsou vyrobeny z mědi, která má elektrický odpor. Čím delší kabel, tím vyšší odpor a tím obtížnější je průchod elektrického proudu. Proto mají dlouhé kabely negativní vliv i na analogové signály 0–10 V.
Některé potenciometry jsou vybaveny velmi výkonným zdrojem napětí, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace, kde je potřeba řídit více zařízení a kde jsou použity dlouhé kabely. Příkladem je SPV-8-010-MF.
Sortiment potenciometrů a ovládacích spínačů od společnosti Sentera
Regulátory otáček EC ventilátorů pro plynulou regulaci otáček ventilátoru
Potenciometr se obvykle používá k řízení rychlosti EC motorů v oblasti HVAC. Proto se také označuje jako regulátor otáček EC ventilátoru nebo regulátor EC ventilátoru. Potenciometr generuje řídicí signál (typicky 0-10 Voltů). Tento řídicí signál poskytuje informace jinému zařízení (např. regulátoru otáček ventilátoru). V tomto příkladu potenciometr „informuje“ regulátor otáček ventilátoru o požadované rychlosti ventilátoru prostřednictvím řídicího signálu. Analogový signál může představovat určitou hodnotu (například: 8 Voltů = 80 %). Tato hodnota leží v rozsahu (0-10 Voltů nebo 0-100 %). Potenciometry nebo regulátory otáček EC ventilátorů generují plynule proměnný řídicí signál, který lze použít k definování požadovaných otáček ventilátoru.
Produktová řada společnosti Sentera zahrnuje tři skupiny regulátorů otáček EC ventilátorů. Tyto skupiny jsou rozděleny podle napájecího napětí, které potenciometr potřebuje ke své funkci:
1. Nízké napájecí napětí
Tyto potenciometry jsou mimořádně vhodné pro kombinaci s EC motory, které poskytují napájecí napětí 10 V DC (nebo podobné). Nabízí možnost připojení napájecího napětí i analogového řídicího signálu jedním kabelem.
-
- Řada SDP-E0US vyžaduje napájecí napětí v rozsahu 5 až 24 V DC. Typ výstupu lze upravit změnou polohy propojky. Minimální a maximální hodnotu analogového výstupního signálu lze nastavit pomocí dvou trimrů. Propojku a oba trimry najdeme za předním panelem potenciometru, kde se připojují vodiče.
- Řada SDP-M010 vyžaduje napájecí napětí 24 V DC. Pomocí knoflíku na předním panelu lze nastavit signál analogového výstupu. V případě potřeby lze tento knoflík deaktivovat komunikací Modbus RTU. Pokud je aktivní přepisování prostřednictvím komunikace Modbus RTU, analogový výstupní signál bude následovat informace v příslušném uchovávacím registru Modbus. Knoflík na předním panelu je během přepisování deaktivován. Kromě nastavení analogového výstupního signálu lze všechna nastavení potenciometru upravit prostřednictvím komunikace Modbus RTU. Typickou aplikací je deaktivování knoflíku na předním panelu během určitých okamžiků dne. Například v budově školy. Rychlost EC ventilátoru pak lze nastavit dálkově (prostřednictvím systému BMS nebo centrálního počítače), zatímco je knoflík na předním panelu deaktivován.
- Řada MTP-D010 vyžaduje napájecí napětí v rozsahu 3 až 15 V DC. Tyto potenciometry se stále dodávají v klasickém provedení. Analogový výstupní signál lze nastavit mezi 10 % a 100 % přiváděného napětí. Pokud je např. tento potenciometr připojen k napájecímu napětí 10 V DC, lze analogový výstupní signál nastavit v rozsahu 1 až 10 V DC. Pokud jsou otáčky ventilátoru na maximální hodnotě příliš vysoké, lze je snížit například na 1 až 8 Voltů.
2. Napájecí napětí 230 V AC
Tyto potenciometry vyžadují napájecí napětí 230 V AC. Analogový signál lze připojit samostatným kabelem. Napájecí kabely (230 V AC) a kabely řídicích signálů musí být vždy odděleny, aby se zabránilo rušení. Tyto potenciometry byly vyvinuty pro generování analogového signálu pro zařízení, která neposkytují 10 V DC (nebo podobné) napájecí napětí pro potenciometr.
3. Nenapájené potenciometry 10 kOhm
Tyto potenciometry nevyžadují napájení. Nabízejí proměnnou hodnotu odporu v rozsahu 0 až 10 kiloohmů (0 až 10 000 ohmů). To umožňuje propojit tyto potenciometry třívodičovým kabelem. Jediný rozdíl mezi produkty v této skupině je jejich kryt.
Ovládací spínače pro EC motory nebo pohony klapek
Tato zařízení regulují otáčky EC ventilátoru ve stupních. Výše uvedené potenciometry generují plynule proměnný signál. Existují však určité aplikace, kde chce uživatel regulovat otáčky ventilátoru v několika stupních od minima po maximum, nikoli plynule proměnně. Pro tyto aplikace lze použít ovládací spínače Sentera. Ovládací spínače generují řídicí signál ve 3 stupních. Rozdělují analogový signál 0-10 V do tří (nastavitelných) stupňů. To umožňuje nastavit rychlost ventilátoru ve třech různých stupních.
Ovládací spínače pro střídavé motory s více vinutími
Podobný provoz má velmi specifická skupina střídavých motorů. Jedná se o 3-rychlostní motory, které se používají například ve stropních ventilátorech. Tato skupina ovládacích spínačů je určena k ovládání střídavých motorů se 3 samostatnými vinutími motoru. Každé vinutí dává motoru jinou rychlost. Když je vinutí pod napětím, motor se začne pomalu otáčet. Když je druhé vinutí pod napětím, motor se otáčí o něco rychleji. Když je třetí vinutí pod napětím, motor běží na plné otáčky. K ovládání těchto typů AC motorů je zapotřebí mechanický spínač, který připojí napájecí napětí 230 V AC k jednomu ze tří vinutí motoru. Jen pro upřesnění, tato skupina ovládacích spínačů nemá nic společného s analogovými signály.