Potentiomètre

Appelé aussi "Résistance variable", et parfois Rhéostat. Le potentiomètre peut être considéré comme une résistance dont on peut faire varier la valeur ohmique entre deux points, par simple action mécanique sur un axe rotatif ou rectiligne. Il est constitué d'une piste résistive sur laquelle entre en contact un curseur mobile, qui peut se promener d'une extrémité à l'autre de la piste. La photo ci-dessous montre un exemple de potentiomètre rotatif.

 

Il existe plusieurs formes et tailles de potentiomètres, mais ils peuvent être classées en deux grandes catégories : potentiomètres ajustables et potentiomètres de tableau. Chacune de ces catégories peut être subdivisée à son tour en plusieurs familles, selon la forme du potentiomètre, la courbe de variation, le nombre de tours pouvant être effectués, le matériau utilisé pour réaliser la piste résistive. Un potentiomètre simple possède le plus souvent trois broches, mais il en existe avec plus de broches, voir paragraphe "Et autres particularités". On peut n'utiliser que deux broches sur les trois (montage en résistance variable) ou utiliser les trois broches (montage potentiomètrique). Voir aussi Potentiomètres et gain.

On choisi généralement ces potentiomètre quand on sait d'avance qu'ils seront souvent manoeuvrés, ce qui est le cas par exemple des potentiomètres de volume ou de tonalité (graves / aigus) sur un ampli hifi (potentiomètres rotatifs), ou encore des faders d'une console de mixage (potentiomètres rectilignes). L'axe du curseur d'un potentiomètre rotatif, en plastique ou en métal, a un diamètre standard de 6mm, mais il existe des axes de diamètre plus petit (4 mm et encore moins pour certains modèles). A la limite de l'axe, côté potentiomètre, un filetage permet de fixer le potentiomètre en l'insérant dans un simple trou (de 10 ou 12 mm par exemple) et en l'immobilisant avec un écrou le plus souvent associé à une rondelle.



La majorité des potentiomètres possède un axe sur lesquels on peut fixer un bouton en alu ou en plastique pour faciliter la prise en main, mais il en existe aussi dont le curseur ne peut être actionné que par le biais d'un tournevis, et dont le raccord vers le circuit s'opère avec des fils souples. Potentiomètres de tableau, mais ajustables...

 
 


Les potentiomètres visibles sur les photos ci-avant sont de tailles relativement modeste. Il en existe de plus gros (généralement bobinés), comme ceux des photos suivantes. Le petit "machin" bleu tout à droite de la photo de gauche est un potentiomètre ajustable, qui n'est là que pour donner l'échelle.

 


Certains potentiomètres disposent de pattes de connexion prévues pour être directement soudées sur un circuit imprimé (les pattes sont alors pointues et assez fines), alors que d'autres disposent de pattes de connexion prévues pour accueillir un fil électrique (les pattes sont arrondies et creusées, et ressemblent un peu à des cosses à souder). La photo qui suit montre un exemple de potentiomètre utilisé dans les petits postes de radio, talkie-walkie, ou autre appareil portable encore doté d'un réglage de volume rotatif :



Histoire de me contredire : pour ce potentiomètre, les pattes sont arrondies et creusées, ressemblent un peu à des cosses à souder, et sont quasiment toujours directement soudées sur le circuit imprimé.

Il s'agit simplement d'une version miniature des potentiomètres de tableau. Les potentiomètres ajustables sont conçus pour être soudés directement sur un circuit imprimé, et sont généralement destinés à être réglés une fois pour toute, ou tout du moins très occasionnellement. Leur forme les destine à être placés directement sur un circuit imprimé, en un lieu souvent peu accessible de l'utilisateur final.



La photo ci-dessus fait apparaitre qu'il existe des potentiomètres prévus pour être montés verticalement (3ème potentiomètre à partir de la gauche), et des potentiomètres prévus pour être montés horizontalement (les autres). L'usage d'un tout petit tournevis est requis pour modifier la position du curseur. N'utiliser surtout pas un tournevis trop gros, vous seriez obligé de forcer pour faire tourner la partie mobile, ce qui conduirait de façon quasi-certaine à la détérioration du composant.

Les potentiomètres multi-tours (3, 5 ou 10 tours) permettent un réglage très précis. Il existe des potentiomètres multi-tours de tableau et des potentiomètres multi-tours ajustables. Les premiers sont principalement utilisés pour (par exemple) régler précisément la tension de sortie d'une alimentation secteur de laboratoire, ou la fréquence d'un générateur BF ou HF. Les seconds sont souvent utilisés pour ajuster un paramètre qui ne devrait normalement plus avoir besoin d'être retouché pendant la durée de vie de l'appareil (annulation d'une tension d'offset ou réjection en mode commun d'un étage d'entrée différentiel par exemple), ou qui ne devrait être réajusté que très occasionnellement (après une panne ou après un entretien, par exemple). Comme un potentiomètre multi-tours coute bien plus cher qu'un potentiomètre standard, les fabricants les réservent quand ils sont vraiment indispensables et que leur équipement doit "tenir" des caractéristiques serrées.

  

La première photo ci-dessus représente deux potentiomètres ajustables multi-tours, le premier est un modèle 10 tours, le second est un modèle 25 tours. Par comparaison, les potentiomètres standards (mono-tour) ont un débattement de 270 degrés, soit 3/4 de tours (certains potentiomètres "mono-tour" ont même un débattement moindre). Les deux suivantes montrent des potentiomètres multi-tours de tableau. Il existe deux types de potentiomètres multi-tours : les bobinés (les plus courants) qui consistent en un fil conducteur bobiné sur lequel se déplace le curseur, et les hybrides dans lesquels un plastique conducteur enrobe une bobine non conductrice. Cette dernière technique permet de limiter l'effet selfique, qui peut être gênant dans certaines applications.

Dans ce mode, le potentiomètre n'est ni plus ni moins qu'une résistance dont on peut faire varier la valeur. Ce type d'utilisation est très fréquente dans les filtres audio simples (un réglage de tonalité par exemple), dans le réglage de la fréquence d'un oscillateur (LFO par exemple), pour le réglage de gain d'un étage amplificateur, etc. Dans ce mode, seules deux des trois pattes du potentiomètre sont utilisées : la patte centrale (curseur) et l'une des deux extrémités. Il arrive parfois que la patte extrême inutilisée soit raccordée au curseur (patte centrale).

Le principe repose ici sur le prélèvement d'une partie d'un signal, prélèvement plus ou moins important (rien ou totalité) selon la position du curseur. On dit que le potentiomètre est utilisé en diviseur de tension résistif. On applique la totalité du signal entre les deux pattes extrêmes, et on récupère une fraction plus ou moins importante entre le curseur et une des deux extrémités. Utilisation courante : réglage de volume, mélange entre un signal traité et un signal non traité, balance Gauche/Droite. Dans ce mode, les trois pattes du potentiomètre sont utilisées. 

Ajout d'un réglage de volume. 

Différents matériaux peuvent être utilisés pour constituer la piste principale d'un potentiomètre. Du matériau utilisé dépendra la qualité générale et la fiabilité du composant.

Potentiomètres à piste

Dans cette catégorie, il existe deux types de potentiomètres très répandus : les potentiomètres à piste carbone et les potentiomètres à piste Cermet (Ceramic et Metal). Les premiers sont de moins bonne qualité mais sont très bon marché. Ils conviennent très bien pour des réalisations où le nombre de manoeuvres est réduit, et où les performances requises (bruit notamment) ne sont pas très élevées. Ce type de potentiomètre est intensément utilisé dans les appareils grand-public. Les potentiomètres Cermet sont largement préférés dans les réalisations professionnelles, mais leur coût rebute assez naturellement.

Potentiomètre bobiné

Seul les potentiomètres à piste ont été évoqué jusqu'alors. Mais il existe aussi des potentiomètres bobinés, où le curseur se "promène" sur une bobine, d'une spire à l'autre.

  


Ce type de potentiomètre est particulièrement utilisé quand la puissance qu'il doit dissiper est importante. Mais à cause des spires qui ne sont pas forcement jointives, il ne peut pas être utilisé partout (coupure de la liaison du curseur au moment du passage d'une spire à l'autre).

Un autre critère entre en compte dans la qualité du potentiomètre : son étanchéité à la poussière. Les potentiomètres professionnels sont soit étanches, soit conçus pour que la poussière n'ait que peu de chance de pénétrer à l'intérieur du composant. Il est assez facile de limiter le jeu de l'axe pour un potentiomètre rotatif, mais cela est plus difficile pour un potentiomètre rectiligne. Pour ces derniers, certains fabricants ont choisi de "déporter" l'axe mobile, de telle sorte que ce dernier ne soit plus en face de la rainure principale. Le type de matériau utilisé et le taux d'étanchéité joueront très fortement sur le coût de fabrication. Ne vous étonnez pas si les potentiomètres d'une console de mixage analogique 12 voies à 800 euros commencent à présenter des signes de faiblesse au bout d'un an... Des deux potentiomètres pris en photo ci-dessous, je vous laisse deviner lequel est grand public et lequel est professionnel...

 

Notez en passant que l'axe du potentiomètre peut être en plastique ou en métal. Le plastique est plus facile à couper et présente un avantage certain lorsqu'il s'agit d'isolation électrique. Du côté des potentiomètres rectilignes, même chose : vous trouverez des potentiomètres à 2 euros et d'autres à 50 euros. Il y a forcement quelque chose qui les différencie...

  

Il existe deux courbes de variation répandues : la courbe de variation logarithmique et la courbe de variation linéaire. 



Une troisième courbe moins répandue existe aussi, il s'agit de la courbe de variation anti-logarithmique.

Variation linéaire (Lin)

Dans le cas d'un potentiomètre linéaire, la variation est progressive : quand le curseur se trouve au centre de la piste, la résistance ohmique que l'on peut mesurer entre le curseur et une extrémité est la même que celle que l'on peut mesurer entre le curseur et l'autre extrémité : Ra = Rb (si le potentiomètre est un modèle 100K, Ra = Rb = 50K). Quand le curseur est à 80% de sa course (plus vers l'extrémité haute), Ra = 20% de la résistance totale et Rb = 80% de la résistance totale. Il s'agit du type de potentiomètre que vous devrez utiliser si rien n'est spécifié par l'auteur du schéma électronique, sauf s'il s'agit d'un potentiomètre de volume (dans ce cas un modèle log est requis). Je ne sais pas s'il existe des potentiomètres ajustables autre que des modèles linéaires, mais je ne me souviens pas en avoir déjà vu de logarithmique.

Variation logarithmique (Log Pos)

La variation de la valeur de la résistance entre le curseur et une extrémité répond à une fonction logarithmique. Quand le curseur se trouve au centre de la piste, la résistance ohmique que l'on peut mesurer entre le curseur et une extrémité n'est pas la même que celle que l'on peut mesurer entre le curseur et l'autre extrémité : Ra <> Rb. Pour donner un ordre de grandeur et pour compléter les trois exemples cités ci-avant, Ra = Rb quand le curseur est à 90% de sa course totale. Vous comprendrez aisément que l'on ne peut pas utiliser un potentiomètre de ce type dans une alimentation secteur pour ajuster finement la tension de sortie. En effet, la variation est lente quand le curseur se déplace vers une extrémité, et est très rapide quand le curseur arrive sur l'autre extrémité. Ce type de potentiomètre est principalement utilisé pour les réglages de volume sonore, pour "coller" à la caractéristique de l'oreille, qui possède justement une réponse logarithmique à la pression que l'air exerce sur les tympans. A cause de cette particularité, le respect du sens de branchement des deux extrémités de la piste résistive a bien plus d'importance que pour le potentiomètre linéaire. 

Remarque : si vous mesuriez la résistivité d'un potentiomètre logarithmique de façon très précise et avec un grand nombre de positions du curseur, vous constateriez que la courbe n'est pas une courbe, mais une suite de petits segments de droites, cela est lié au procédé de fabrication de la piste. Essayez d'imaginer un seul instant la complexité de réalisation d'une piste vraiment logarithmique... Sachant cela, vous pouvez maintenant aussi imaginer que l'on peut trouver des potentiomètres log dont la courbe de variation n'est pas forcement très proche de la courbe de variation log théorique.

Variation anti-logarithmique (Log Neg, Antilog ou Log inverse)

La variation de la valeur de la résistance entre le curseur et une extrémité répond à une fonction logarithmique inverse (appelée aussi négative ou neg-log). Ce type de potentiomètre peut être requis pour le réglage de gain ou de tonalité dans certaines réalisations audio.

Reconnaissance de la courbe de variation des potentiomètres usuels

Vous avez entre les mains un potentiomètre de récupération ou d'origine inconnue, et vous aimeriez bien connaitre sa courbe de variation. Lin ou Log ? La différenciation entre les courbes Lin et Log s'effectue normalement grâce aux lettres A et B, mais la norme n'est pas la même entre Europe / États-Unis et Japon. En Europe et aux États-Unis, la lettre A désigne le modèle linéaire et la lettre B désigne le modèle logarithmique. Au japon, c'est l'inverse. Ainsi, un potentiomètre marqué 47 KA fabriqué au Japon est un modèle logarithmique ! La lettre C désigne quant à elle une courbe de variation anti-logarithmique (je crois savoir qu'une autre lettre peut aussi être employée pour ce type de variation, mais je ne me souviens plus de laquelle). Résumons cela dans le tableau suivant :

Ce repérage par lettre pourrait être suffisant et simple, mais il semblerait que l'on trouve aussi désormais des potentiomètres logarithmique de provenance européenne frappé de la lettre A. En cas de doute, suivre la procédure de vérification d'un potentiomètre, décrite à la page Vérification d'un composant.

Autres types de courbes

Les trois courbes de variation évoquées ci-avant (A, B et C) sont les plus usuelles, mais il en existe d'autres, moins répandues et d'ailleurs appelées courbes de variation spéciales. On peut ainsi rencontrer la courbe de variation T qui correspond à une variation de type log mais plus "lente", ou la courbe de variation F qui correspond à une variation de type log plus "rapide". Il existe également une courbe de variation de type semi-logarithmique à laquelle on attribue la lettre S. Ces types de variation sont utilisées dans des applications spécifiques, notamment dans certains téléviseurs à tube cathodique.

Moyennant l'ajout d'une ou de deux résistances greffées sur un potentiomètre, il est possible d'en modifier sa courbe de variation. Par exemple, en ajoutant une résistance de 15K entre le curseur et l'extrémité "supérieure" d'un potentiomètre linéaire de 150K, on obtient une variation extrêmement proche de celle d'un potentiomètre Anti-Log de 150K. En câblant cette résistance entre le curseur et l'extrémité "inférieure", on obtient une variation Log. Pour plus de détails, se reporter à la page Potentiomètre - Modification de la courbe de variation.

Nous n'avons survolé ici que les potentiomètres simples à trois broches. Sachez qu'il existe encore d'autres types de potentiomètres, en voici quelques exemples.

Potentiomètres doubles (2 x 3 broches)

Il s'agit simplement de deux potentiomètres simples électriquement indépendants mais couplés mécaniquement et partageant le même axe de commande. 

 

La rotation de l'axe entraine le curseur de chacun des deux potentiomètres, les deux offrent alors une même variation ohmique à partir d'un seul mouvement mécanique. Ce type de potentiomètre est fréquent dans les applications audio stéréo, car il permet un contrôle simultané sur les deux voies audio gauche et droite. Il peut aussi être utilisé (entre autres) dans un oscillateur où il est nécessaire de faire varier simultanément deux résistances identiques (oscillateur à pont de Wien par exemple.

Potentiomètres triples (3 x 3 broches)

Trois potentiomètres couplés. Oui, ça existe ;-)

  

Potentiomètres quadruples (4 x 3 broches)

Même chose que pour les doubles et les triples, sauf que là il y a quatre potentiomètres couplés. Leur usage est moins fréquent, et on a d'ailleurs un peu plus de mal à en trouver.

 

Potentiomètres à prise intermédiaire (1 x 4 broches, 2 x 4 broches ou 4 x 4 broches)

Une broche intermédiaire fixe est ajoutée aux trois existantes. Ce type de potentiomètre est utilisé pour les réglages de volume avec fonction Loudness (correction physiologique).

  

Je ne sais pas s'ils peuvent avoir d'autres fonctions. Mais comme ce type de composant est rare et que la fonction Loudness peut également être assurée avec un potentiomètre standard à trois broches (Loudness1 et Loudness2), ce type de potentiomètre n'est plus très répandu... chez les distributeurs tout du moins. 

Potentiomètres avec interrupteur (3 + 2 broches ou 3 + 2x3 broches)

Très souvent utilisés dans les petites radios portables, le potentiomètre rotatif avec interrupteur permet à l'aide d'une unique commande manuelle, de mettre en route ou d'arrêter la radio et de régler le volume. La position OFF de l'interrupteur se situe juste avant le "minimum" du potentiomètre. Il existe également des potentiomètres rotatifs avec interrupteur activé par pression sur l'axe (la position de volume est conservée). Un interrupteur peut également être intégré à des potentiomètres rectilignes installés dans des consoles de mixage pour radio ou pour discothèque, cet interrupteur (ou switch) assurant la fonction de "Start" (télécommande d'un lecteur de CD ou d'une platine disque) quand le potentiomètre est "monté". Autre exemple : potentiomètre appelé Potentiomètre Push-Pull (poussé-tiré).

 

Potentiomètres à axes concentriques (2 x 3 broches ou 4 x 3 broches)

Ce type de potentiomètre à la particularité de permettre le réglage séparé de plusieurs potentiomètres couplés (deux ou quartes en général, mais il peut s'agir d'un nombre différent) avec deux boutons concentriques : volume pour le bouton central et balance pour le bouton "extérieur", sur un autoradio ou sur certaines chaines hifi, par exemple. 

Potentiomètres motorisés

Potentiomètres auxquels est couplé un petit moteur à courant continu. Installés dans certains amplis hifis, ils permettent un réglage de volume à l'aide d'une télécommande. Il existe certes des potentiomètres numériques intégrés qui permettent le réglage de volume de façon électronique, mais les potentiomètres à moteur permettent un contrôle électrique ET manuel, ce que les utilisateurs apprécient en général. 

Potentiomètres à impédance constante

Il s'agit d'atténuateurs variables travaillant généralement à des impédances faibles et à des puissances assez élevées, et qui permettant d'ajuster le niveau (volume) en s'intercalant directement entre la sortie de puissance d'un ampli et un haut-parleur. 

 

Deux utilisations possibles (entre autres) : réglage du niveau d'un HP médium ou aigu par rapport au boomer, ou fonctionnement à plus forte puissance d'un ampli à lampe en gardant un volume raisonnable au niveau du HP, pour obtenir une sonorité différente de celle obtenue à bas régime (le surplus de puissance est évacué en chaleur par le potentiomètre). 

Potentiomètres avec roue

Principalement utilisés pour un déplacement du curseur par le biais d'une courroie ou d'un fil (pédale d'effet guitare par exemple).

Capteur potentiométrique

Il s'agit d'un potentiomètre plat, de forme rectiligne ou circulaire, dont la position du "curseur" dépend de l'endroit où est exercée la force mécanique sur une partie de la zone "sensible". La pression peut être effectuée à l'aide d'un élément mécanique (bille par exemple) ou à l'aide d'un doigt (pression nécessaire environ 1 N).

 

Particularité non partagée avec les autres potentiomètres : lorsque qu'aucune pression n'est exercée sur le composant, le curseur reste "en l'air" et ne présente aucun contact physique avec l'une ou l'autre "extrémité". A cela s'ajoute une usure très faible et un encrassement par poussière impossible (étanchéité parfaite).

Potentiomètres à double curseur

Avez-vous jamais entendu parler de potentiomètre rectiligne simple avec deux curseurs ? Moi pas, jusqu'en décembre 2009, c'est à dire après plus de 33 ans de bricolage. Christian, un collègue de travail, vient me voir pour me montrer ce composant fort curieux, récupéré sur un appareil de mesure de marque HP. C'est la première fois qu'il voyait ça, et moi aussi. En apparence, un potentiomètre rectiligne normal, avec un curseur certes fendu en deux, mais fort similaire à celui des potentiomètres "normaux".

 

Mais chose rigolote, on peut séparer les curseurs et les déplacer dans des directions opposées.

 




Et bien sûr, quatre pattes et non pas trois, puisqu'en plus des deux extrémités du potentiomètre, on doit avoir accès aux deux curseurs séparés :



Sans aucun doute une fabrication maison - HP - pour un appareil de mesure bien à eux.

Il ne s'agit pas là à proprement parler de potentiomètre, mais d'un commutateur multipostions doté d'une valeur de résistance différente pour chaque position. Il est en effet établi qu'un pont diviseur à résistances détériore moins le signal BF qu'un potentiomètre classique.



Comme le montre la photo ci-avant (modèle à 24 positions), il est relativement aisé de constituer des potentiomètres doubles, quadruples ou sextuples avec les commutateurs. Aisé... mais couteux : à 140 euros le potentiomètre double et à 360 euro le potentiomètre sextuple, je vous autorise à réfléchir un peu... Mais ne dit-on pas que la qualité à un prix ? Si pour des besoins "modestes" vous avez envie de réaliser un tel potentiomètre avec un unique rotacteur électromécanique, voici deux exemples de câblage d'un "potentiomètre cranté" à 12 positions monté en diviseur de tension.



L'ensemble de gauche est plutôt prévu pour une application audio. On applique le signal BF entre les points E1 et E2, et on recueille le signal BF plus ou moins atténué entre les points C et E2. L'ensemble de droite est plutôt prévu pour une application de commande en tension. Avec une tension d'entrée (point E1') de +5 V par exemple, on dispose en sortie (point C') d'une tension pouvant varier entre environ 0 V et +5 V par pas de 0,5 V. L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de décider précisément du taux d'atténuation pour chacune des positions mécaniques du rotacteur.

Les potentiomètres numériques ne possèdent aucune partie mécanique mobile, et se présentent sous la forme d'un circuit intégré. Il existe des modèles simples, doubles ou quadruples, à commande séparée ou commune, et qui sont différentiables par :

 

le nombre de pas, qui par analogie peut être comparé au nombre de positions fixes possibles que pourrait avoir un potentiomètre normal doté d'un bouton à crans (par exemple 64 ou 256)

le taux de distorsion (par exemple 0,005% à pleine modulation)

l'impédance d'entrée (par exemple 40K) et de sortie

la plage dynamique (par exemple 120 dB)

l'atténuation maximale (par exemple 78 dB)

la diaphonie (par exemple 110 dB)

la bande passante (par exemple 20 à 50 KHz à -3 dB)

l'appariement entre "pistes" (par exemple 0,5 dB)

la possibilité de mémoriser la position du "curseur" en absence d'énergie

la possibilité de muter le signal d'entrée (sans passer par la position min)

le type de commande : bouton poussoir ou commande série (2 ou 3 fils)

Avantages et inconvénients

Par rapport aux modèles mécaniques, les potentiomètres numériques présentent l'avantage indiscutable de la longévité, de la précision de la courbe de variation et de l'appariement entre pistes. Côté performances, il faut toutefois faire attention aux chiffres annoncés, surtout côté distorsion : une valeur aussi faible que 0,008% peut n'être valable que pour le taux d'atténuation minimal (cela dépend de la conception du potentiomètre). Le fait de devoir nécessairement piloter certains types de potentiomètres numériques par des commandes séries (informatiques) fait de ce composant un élément particulièrement étanche au débutant en électronique, sauf si ce dernier connait ou veut s'attaquer à la programmation de composants programmables. Il est en effet possible mais plus difficile d'envoyer les ordres de commandes attendus par un potentiomètre numérique avec des circuits logiques traditionnels tels que portes et compteurs.

Exemples de potentiomètres numériques

PGA2310 (double)

X9241 (quadruple 10K)

TDA1074 (double),

LM1972 (double log)

DS1267 (double)

DS1802 (double log)

MAX5160 (50K lin)