Was ist ein Potentiometer?
Das Wort Potentiometer ist einerseits der Name eines elektronischen Bauteils. Andererseits ist es auch der Name für einen Geschwindigkeitsregler für EC-Motoren. In einem solchen Geschwindigkeitsregler wird üblicherweise das elektronische Bauteil verwendet. In beiden Fällen zeigt das Wort „Potentiometer“, dass etwas stufenlos verstellbar ist.
Das Wort Potentiometer ist einerseits der Name eines elektronischen Bauteils. Andererseits ist es auch der Name für einen Geschwindigkeitsregler für EC-Motoren. In einem solchen Geschwindigkeitsregler wird üblicherweise das elektronische Bauteil verwendet. In beiden Fällen zeigt das Wort „Potentiometer“, dass etwas stufenlos verstellbar ist.
Geschwindigkeitsregler für EC-Motoren
Ein EC-Motor kann als Kombination eines AC-Motors mit einem eingebauten Geschwindigkeitsregler betrachtet werden (siehe auch den Artikel AC- versus EC-Motoren). Dieser eingebaute Geschwindigkeitsregler benötigt Informationen über die gewünschte Motordrehzahl. Ein Potentiometer ist eine der Möglichkeiten, um die gewünschte Motordrehzahl an den EC-Motor zu übermitteln. Aus diesem Grund wird ein Potentiometer manchmal auch als Geschwindigkeitsregler für EC-Motoren bezeichnet. Der eigentliche Geschwindigkeitsregler ist jedoch in den EC-Motor integriert, während das Potentiometer das Gerät ist, mit dem die gewünschte Drehzahl manuell eingestellt werden kann. Mit einem Potentiometer kann die Drehzahl eines EC-Motors stufenlos variiert werden.
Aber wie funktioniert das? Wie kann das Potentiometer dem EC-Motor mitteilen, wie schnell er sich drehen soll? Ganz einfach: über ein elektrisches Signal. Im Fachjargon wird dies als analoges Signal bezeichnet. Das bedeutet, dass dieses elektrische Signal kontinuierlich variabel zwischen dem Mindest- und dem Höchstwert eingestellt werden kann. Das am häufigsten verwendete analoge Signal ist 0 bis 10 Volt. Es kann zwischen 0 Volt und 10 Volt variieren.
Mit anderen Worten: Das Potentiometer ist ein Gerät, das die Position des Drehknopfs in ein analoges Signal übersetzt (z. B. 0-10 Volt). Dieses analoge Signal kann verwendet werden, um ein anderes Gerät zu steuern. Die Anzahl der Beispiele ist endlos, aber in der HVAC-Welt werden analoge Signale häufig verwendet, um EC-Motoren, variable Geschwindigkeitsregler, Ventilklappenpositionierung, die Einstellung der gewünschten Temperatur usw. zu steuern. In diesem Artikel bleiben wir beim Beispiel der Steuerung des EC-Motors. In diesem Beispiel würde der Lüfter stillstehen, wenn das Steuersignal 0 Volt beträgt. Wenn das Steuersignal (stufenlos variabel) auf 10 Volt ansteigt, wird der Lüfter (stufenlos variabel) beschleunigen und mit 10 Volt die Höchstgeschwindigkeit erreichen.
Verschiedene Arten von analogen Signalen
Verschiedene Arten von analogen Signalen
In der Praxis gibt es viele verschiedene Arten von analogen Signalen, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Das Gerät, das durch das analoge Signal gesteuert werden soll, bestimmt, welcher Signaltyp erforderlich ist. In einigen Fällen gibt es mehrere Optionen.
Hier listen wir die am häufigsten verwendeten analogen Signale auf:
- Spannungssignale (z. B. 0-10 Volt):
Diese analogen Signale verwenden eine unterschiedliche Spannung oder ein unterschiedliches Potenzial, um die Information zu übertragen. Der EC-Motor erkennt den Spannungspegel des analogen Signals und bestimmt die gewünschte Motordrehzahl basierend darauf. Diese Form des analogen Signals ist sehr beliebt, da der Wert des Signals leicht mit einem Voltmeter gemessen werden kann. Dies erleichtert die Fehlersuche erheblich.
Der Nachteil ist, dass die Kabellänge begrenzt bleiben muss. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Kabel tritt bei längeren Kabeln ein Spannungsabfall auf (10 Volt am Anfang des Kabels sind am Ende des Kabels nicht mehr 10 Volt). Dies führt zu einer geringeren Genauigkeit. Im Beispiel des EC-Motors wird es unmöglich sein, die maximale Lüftergeschwindigkeit zu erreichen, wenn das Kabel des analogen Signals zwischen Potentiometer und EC-Motor zu lang ist. Der Grund ist, dass das analoge Steuersignal aufgrund des Spannungsabfalls im langen Kabel nicht seinen maximalen Wert von 10 Volt erreichen kann. - Elektrischer Widerstand (z. B. 0 bis 10 kΩ):
Dies ist der bekannteste Weg, um einen Wert in der Welt der Elektronik zu kommunizieren. Übrigens ist ein Potentiometer auch ein elektronisches Bauteil mit variablem Widerstandswert – mehr dazu später in diesem Artikel. Zurück zu unserem Beispiel mit dem EC-Motor: Der EC-Motor bestimmt die gewünschte Motordrehzahl basierend auf dem Widerstandswert des analogen Signals. Auch hier führt eine längere Kabelstrecke zwischen dem Potentiometer und dem EC-Motor aufgrund des steigenden elektrischen Widerstands des Kabels zu einer verringerten Genauigkeit. Wenn die Kabellänge zwischen den beiden Geräten kurz gehalten werden kann, ist dies eine einfache und kostengünstige Lösung. - Stromsignale (z. B. 4-20 mA):
Analoge Signale, die den elektrischen Strom variieren, um einen Wert zu kommunizieren. Der EC-Motor bestimmt die Motordrehzahl basierend auf dem Strom des analogen Signals. Je mehr mA erkannt werden, desto höher ist die Motordrehzahl. In diesem Beispiel entspricht 20 mA der maximalen Motordrehzahl.
Der große Vorteil hier ist, dass keine Genauigkeit verloren geht, wenn die Kabellänge zunimmt. Der erhöhte elektrische Widerstand des Kabels wird durch das analoge Signal kompensiert, und der gewünschte Strom wird erreicht. Ein Kabelbruch kann ebenfalls erkannt werden (0 mA kann nur im Falle eines Kabelbruchs auftreten, da der Mindestwert des analogen Signals 4 mA beträgt). Das Erkennen möglicher Fehler ist komplexer, da Strom schwieriger zu messen ist als Spannung. - Frequenzsignale (z. B. Pulsweitenmodulation oder PWM):
Diese Art von analogem Signal wird auch als Pulsfolge bezeichnet. Es handelt sich um eine konstante Reihe von Pulsen mit identischer Amplitude (Spannung). Der Unterschied liegt in der Frequenz und der Breite der Pulse. Der EC-Motor empfängt eine konstante Reihe von elektrischen Pulsen. Die Motordrehzahl wird basierend auf der Frequenz und der Dauer der Pulse bestimmt. Diese Form des analogen Signals ist unempfindlich gegenüber steigendem elektrischen Widerstand oder Spannungsabfällen aufgrund längerer Kabelstrecken. Um die Pulsfolge korrekt zu interpretieren, sind fortschrittlichere Elektronik erforderlich, und das Erkennen möglicher Fehler ist ebenfalls schwieriger.
Am Ende tun all diese analogen Signale dasselbe: Sie übertragen oder kommunizieren einen bestimmten Wert zwischen verschiedenen Geräten. Der Unterschied zwischen diesen analogen Signaltypen kann als die Kommunikation derselben Nachricht in einer anderen Sprache betrachtet werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Spannungssignale und elektrischer Widerstand sind einfach und für kürzere Distanzen geeignet, während Strom- und Frequenzsignale komplexer sind und sich besser für längere Distanzen eignen.
Das elektronische Bauteil 'Potentiometer'
Ein Potentiometer ist ein dreipoliges elektronisches Bauteil, das als variabler Widerstand oder Spannungsteiler fungiert. Es besteht aus einem Widerstandselement, einem gleitenden oder rotierenden Kontakt (dem sogenannten Schleifer) und drei Anschlüssen: Zwei feste Anschlüsse sind mit den Enden des Widerstandselements verbunden. Ein variabler Anschluss (der Schleifer) gleitet oder rotiert entlang des Widerstandselements, um den Widerstand zu verändern und damit die Ausgangsspannung anzupassen.
Wenn eine Spannung an die beiden festen Anschlüsse angelegt wird, teilt der Schleifer die Spannung basierend auf seiner Position entlang des Widerstandselements. Das Bewegen des Schleifers verändert den Widerstand in einem Abschnitt des Kreises, während gleichzeitig der Widerstand im anderen Abschnitt verändert wird. Dadurch wird die Spannung zwischen dem Schleifer und einem der festen Anschlüsse angepasst.
Ein Potentiometer wird häufig in elektronischen Schaltungen verwendet, um dem Benutzer eine einfache Möglichkeit zu geben, einen bestimmten Wert einzustellen. Ein Beispiel dafür ist die Lautstärkeregelung bei einem Radio.
Die Produktpalette von Sentera umfasst Potentiometer und Steuerschalter
EC-Lüftersteuerungen für kontinuierlich variable Lüftergeschwindigkeitsregelung
Ein Potentiometer wird typischerweise zur Steuerung der Geschwindigkeit von EC-Motoren im HVAC-Bereich eingesetzt. Aus diesem Grund wird es auch als EC-Lüftergeschwindigkeitsregler oder EC-Lüftersteuerung bezeichnet. Das Potentiometer erzeugt ein Steuersignal (typischerweise 0-10 Volt). Dieses Steuersignal liefert Informationen an ein anderes Gerät (z. B. einen Lüftergeschwindigkeitsregler). In diesem Beispiel „informiert“ das Potentiometer den Lüftergeschwindigkeitsregler über die angeforderte Lüftergeschwindigkeit via das Steuersignal. Ein analoges Signal kann einen bestimmten Wert darstellen (z. B. 8 Volt = 80%). Dieser Wert liegt innerhalb eines Bereichs (0-10 Volt oder 0 - 100%). Potentiometer oder EC-Lüftergeschwindigkeitsregler erzeugen ein kontinuierlich variables Steuersignal, das verwendet werden kann, um die gewünschte Lüftergeschwindigkeit festzulegen.
Die Produktpalette von Sentera umfasst drei Gruppen von EC-Lüftergeschwindigkeitsreglern. Diese Gruppen sind nach der Versorgungsspannung unterteilt, die das Potentiometer für die Funktion benötigt:
1. Niedrige Versorgungsspannung
Diese Potentiometer sind besonders geeignet für die Kombination mit EC-Motoren, die eine Versorgungsspannung von 10 Volt DC (oder ähnlich) bereitstellen. Sie bieten die Möglichkeit, sowohl die Versorgungsspannung als auch das analoge Steuersignal über ein einziges Kabel zu verbinden.
Diese Potentiometer sind besonders geeignet für die Kombination mit EC-Motoren, die eine Versorgungsspannung von 10 Volt DC (oder ähnlich) bereitstellen. Sie bieten die Möglichkeit, sowohl die Versorgungsspannung als auch das analoge Steuersignal über ein einziges Kabel zu verbinden.
- SDP-E0US-Serie benötigen eine Versorgungsspannung im Bereich von 5 bis 24 VDC. Der Ausgangstyp kann durch Ändern der Position eines Jumpers angepasst werden. Der minimale und maximale Wert des analogen Ausgangssignals kann über zwei Trimmer eingestellt werden. Der Jumper und beide Trimmer befinden sich hinter der Frontplatte des Potentiometers, wo die Drähte angeschlossen sind.
- SDP-M010-Serie benötigen eine Versorgungsspannung von 24 VDC. Über den Drehknopf auf der Frontplatte kann das analoge Ausgangssignal eingestellt werden. Falls notwendig, kann dieser Drehknopf durch die Modbus RTU-Kommunikation überschrieben werden. Wenn das Überschreiben über Modbus RTU aktiv ist, folgt das analoge Ausgangssignal den Informationen im entsprechenden Modbus-Holding-Register. Der Drehknopf auf der Frontplatte wird während des Überschreibens deaktiviert. Neben der Einstellung des analogen Ausgangssignals können alle Potentiometer-Einstellungen über die Modbus RTU-Kommunikation angepasst werden. Eine typische Anwendung ist das Überschreiben des Drehknopfs zu bestimmten Tageszeiten, zum Beispiel in einem Schulgebäude. Die EC-Lüftergeschwindigkeit kann dann aus der Ferne (über das BMS-System oder einen zentralen Computer) eingestellt werden, während der Drehknopf auf der Frontplatte deaktiviert ist.
- MTP-D010-Serie benötigen eine Versorgungsspannung im Bereich von 3 bis 15 VDC. Diese Potentiometer sind noch im klassischen Gehäusetyp erhältlich. Das analoge Ausgangssignal kann im Bereich von 10 % bis 100 % der Versorgungsspannung eingestellt werden. Zum Beispiel, wenn dieses Potentiometer mit einer Versorgungsspannung von 10 VDC verbunden ist, kann das analoge Ausgangssignal im Bereich von 1 bis 10 VDC eingestellt werden. Wenn die Lüftergeschwindigkeit bei ihrem maximalen Wert zu hoch ist, kann sie beispielsweise auf 1 bis 8 Volt reduziert werden.
2. 230 VAC Versorgungsspannung
Diese Potentiometer benötigen eine Versorgungsspannung von 230 VAC. Das analoge Signal kann über ein separates Kabel angeschlossen werden. Stromkabel (230 VAC) und Steuersignalkabel müssen immer getrennt verlegt werden, um Störungen zu vermeiden. Diese Potentiometer wurden entwickelt, um ein analoges Signal für Geräte zu erzeugen, die keine 10 Volt DC (oder ähnliche) Versorgungsspannung für das Potentiometer bereitstellen.
3. Unpowered Potentiometer 10 kΩ
Diese Potentiometer benötigen keine Stromversorgung. Sie bieten einen variablen Widerstandswert im Bereich von 0 bis 10 Kiloohm (0 bis 10.000 Ohm). Dadurch ist es möglich, diese Potentiometer mit einem dreiadrigen Kabel zu verbinden. Der einzige Unterschied zwischen den Produkten in dieser Gruppe ist ihr Gehäuse.
Steuerschalter für EC-Motoren oder Dämpferantriebe
Diese Geräte regeln die EC-Lüftergeschwindigkeit in Stufen. Die oben genannten Potentiometer erzeugen ein kontinuierlich variables Signal. Es gibt jedoch bestimmte Anwendungen, bei denen der Benutzer die Lüftergeschwindigkeit in wenigen Stufen von Minimum bis Maximum regeln möchte, anstatt kontinuierlich variabel. Für diese Anwendungen können die Sentera Steuerschalter verwendet werden. Steuerschalter erzeugen ein Steuersignal in 3 Stufen. Sie teilen das analoge 0-10 Volt Signal in drei (einstellbare) Stufen. Dadurch ist es möglich, die Lüftergeschwindigkeit in drei Stufen anzupassen.
Steuerschalter für AC-Motoren mit mehreren Wicklungen
Eine sehr spezifische Gruppe von AC-Motoren funktioniert auf ähnliche Weise. Es handelt sich um 3-Gang-Motoren, die beispielsweise in Deckenventilatoren verwendet werden. Diese Gruppe von Steuerschaltern wurde entwickelt, um AC-Motoren mit 3 separaten Motorwicklungen zu steuern. Jede Wicklung verleiht dem Motor eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Wenn die erste Wicklung erregt wird, beginnt der Motor langsam zu drehen. Wenn die zweite Wicklung erregt wird, dreht sich der Motor etwas schneller. Wenn die dritte Wicklung erregt wird, läuft der Motor mit voller Geschwindigkeit. Um diese Art von AC-Motoren zu steuern, ist ein mechanischer Schalter erforderlich, der die 230 VAC Versorgungsspannung mit einer der drei Motorwicklungen verbindet. Um es klarzustellen: Diese Gruppe von Steuerschaltern hat nichts mit analogen Signalen zu tun.