Linearpoti aus Widerstandsdraht

Hard · 45 min · Günstig

Ziel & Lerninhalt

Wickle einen selbstgebauten Schiebepotentiometer aus Widerstandsdraht (z.B. Konstantan oder Kanthal) und einem einfachen Schleifkontakt.

  • Den Spannungsteiler-Effekt entlang eines Drahtes praktisch verstehen.
  • Auflösung über Wicklungsdichte und ADC-Bits einschätzen.
  • Mechanische Reibung und Verschleiß im Sensor reduzieren.

Erklärung & Wissen

Basic

Ein Potentiometer ist im Prinzip ein langes Widerstandsband mit einem beweglichen Abgriff in der Mitte. Bei uns ist das Band einfach ein dünner Widerstandsdraht, eng um einen Stab gewickelt. An Anfang und Ende der Wicklung legen wir 5 V bzw. GND. Der 'Schleifer' – ein zweiter Draht, der seitlich über die Wicklung gleitet – greift dazwischen die jeweilige Spannung ab. Steht der Schleifer ganz links, misst der Mikrocontroller 0 V; ganz rechts 5 V; in der Mitte 2,5 V.

Medium

Damit das überhaupt funktioniert, brauchst du Draht mit hohem Widerstand pro Meter. Reines Kupfer ist ungeeignet (zu niederohmig), Konstantan oder Kanthal bringen z.B. ein paar Ohm pro Meter. Wickle eng und gleichmäßig: Die Wicklungen dürfen sich nicht berühren – sonst kurzschließt der Schleifer mehrere Windungen und die Kennlinie wird stufig. Den Lack an der oberen Wicklungsseite schmirgelst du nach dem Wickeln vorsichtig ab, damit der Schleifer überhaupt Kontakt bekommt. Das ergibt einen linearen Spannungsverlauf am Schleifer, den der ADC direkt an A0 misst.

Expert

Die Auflösung wird durch zwei Effekte begrenzt: physikalisch durch die Wicklungsdichte (jede Windung = eine 'Stufe'), und elektronisch durch den 10-Bit-ADC (1024 Schritte). Bei 200 Windungen über 10 cm liefert die Mechanik ca. 0,5 mm Auflösung – deutlich schlechter als der ADC. Wickle dichter (mehr Wicklungen, sauberer schmirgeln), um die Mechanik nicht zum Flaschenhals zu machen. Reibung minimierst du durch einen Schleifer aus weichem Federbronze-Draht und einen Tropfen Öl auf der Wicklung. Konstantan ist zusätzlich praktisch, weil sein Temperaturköffizient nahe Null ist – der Sensor driftet bei Erwärmung kaum, anders als ein gewickelter Kupferdraht.

Fun Fact

Bis in die 1990er steckten in vielen analogen Audio-Mischpulten ganz ähnliche, riesige Drahtwendel-Potis – sie waren laufruhiger und langlebiger als kleine Kohleschicht-Potis und gelten heute als Vintage-Kult.

Potentiometer
Variabler Widerstand mit drei Anschlüssen – die mittlere Position bestimmt das Spannungsverhältnis. Dein Drahtwicklungs-Poti ist ein Potentiometer aus erster Hand: Beide Enden der Wicklung sind die Versorgungsanschlüsse (VCC und GND), der Schleifer ist der Mittelabgriff. $U_{out} = U_{in} \cdot x/L$ – perfekt linear zur Position. Professionelle Potis nutzen Kohleschicht oder Cermet statt Draht – billiger, aber temperaturempfindlicher.
Widerstandsdraht
Draht aus speziellen Legierungen, der absichtlich viel Widerstand pro Meter hat – anders als Kupfer. Kupfer: $\rho \approx 0{,}017\,\mu\Omega\,\mathrm{m}$ – 1 m dünner Draht hat nur Milliohm. Konstantan: $\rho \approx 0{,}5\,\mu\Omega\,\mathrm{m}$ – 30× mehr, und $\alpha \approx 0$ (kaum temperaturabhängig!). Kanthal: $\rho \approx 1{,}4\,\mu\Omega\,\mathrm{m}$, hitzebeständig bis 1200°C. Für ein stabiles Poti ist Konstantan ideal.
Schleifkontakt
Der bewegliche Abgriff, der entlang des Widerstandsdrahts gleitet und die aktuelle Spannung abgreift. Der Schleifer teilt den Gesamtwiderstand $R_{ges}$ in $R_1 = R_{ges} \cdot x/L$ und $R_2 = R_{ges} \cdot (L-x)/L$. Am Schleifer liegt $U = U_{in} \cdot x/L$ an – streng linear zur Position $x$. Schlechter Kontakt (zu wenig Anpressdruck, Oxidation) → springende Werte. Zu viel Druck → Verschleiß.
ADC-Auflösung
Wie fein der Mikrocontroller analoge Spannungen unterscheiden kann – 10 Bit = 1024 Stufen. 10-Bit-ADC bei 5V: kleinste messbare Spannungsänderung = $5/1024 \approx 4{,}9\,\mathrm{mV}$. Bei 10 cm Stablänge: jede Stufe entspricht $10\,\mathrm{cm}/1024 \approx 0{,}1\,\mathrm{mm}$ elektrisch. Aber mechanisch hat dein Drahtpoti vielleicht 200 Windungen → 0,5 mm Schritt. Die Mechanik ist der Flaschenhals, nicht der ADC.

Praktischer Versuch: Drahtwicklungs-Poti

Eng gewickelten Widerstandsdraht auf ein Holzstäbchen, Schleifer aus Federdraht, Auswertung am Analogeingang.

  • ca. 2 m Widerstandsdraht (Konstantan/Kanthal, isoliert oder lackiert)
  • 1 Holzstab (Schaschlikspieß o.ä., 10–15 cm)
  • 1 Stück steifer, leicht federnder Draht als Schleifer
  • Schmirgelpapier (fein)
  • Heißkleber

  1. Draht eng wickeln

    Klebe ein Ende des Drahtes am Stab fest. Wickle eng, ohne dass sich Windungen berühren. Am anderen Ende ebenfalls fixieren. Lass an beiden Enden ca. 5 cm überstehen.

    Check: Mind. 100 gleichmäßige Windungen über die Stablänge.

    Tipp: Beim Wickeln den Draht leicht unter Spannung halten – die Windungen sitzen sonst nicht eng aneinander.

  2. Lack abschmirgeln

    Mit feinem Schmirgelpapier sanft längs über die obere Seite der Wicklung fahren, bis der Lack weg ist. Mit dem Multimeter prüfen: Schleifer muss überall Kontakt finden.

    Check: Oben auf der Wicklung glänzt der Draht über die gesamte Länge metallisch.

    Tipp: Nur die obere Linie schmirfeln – wenn du komplett rundherum schmirgelst, schließt der Schleifer benachbarte Windungen kurz.

  3. Schleifer bauen

    Biege den Federdraht zu einer kleinen Schleife, die wie eine Schlittenkufe über die Wicklung gleiten kann. Klebe ihn an einen kleinen 'Schlitten' (Pappstück), der entlang der Wicklung verschiebbar ist.

    Check: Schleifer gleitet leichtgängig, ohne zu rutschen oder zu klemmen.

    Tipp: Der Schleifer muss leicht federnd auf der Wicklung aufliegen – zu fest = Verschleiß, zu locker = Aussetzer.

  4. Manuell testen

    Lege 5V und GND an die Wicklungsenden. Miss mit dem Multimeter zwischen Schleifer und GND. Verschiebe und beobachte.

    Check: Mit dem Multimeter zwischen Schleifer und einem Ende: Wert ändert sich linear mit Position.

    Tipp: Macht der Wert Sprünge, ist der Lack noch nicht überall ab.

  5. An ADC anschließen und auswerten

    Drahtende 1 → 5V, Drahtende 2 → GND, Schleifer → A0. Code hochladen und Position ablesen.

    Check: Im Monitor wechselt der Wert sauber von ~0 bis ~1023 entlang des Stabs.

    Tipp: Werte ruckeln deutlich? Mittelung erhöhen oder Schleifer-Federdruck nachjustieren.

Drahtende 1 → 5V, Drahtende 2 → GND, Schleifer → A0.

// ProtoPeaks - Draht-Linearpoti
const int sensorPin = A0;

void setup() { Serial.begin(9600); }

void loop() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) sum += analogRead(sensorPin);
  int adc = sum / 16;
  int prozent = map(adc, 0, 1023, 0, 100);
  Serial.print("ADC: "); Serial.print(adc);
  Serial.print("  Position: "); Serial.print(prozent); Serial.println(" %");
  delay(80);
}
  • Werte springen in Stufen. — Wicklungen liegen nicht dicht. Neu wickeln, gleichmäßiger ziehen – jede 'Lücke' macht eine Stufe.
  • Wert plötzlich 0 oder 1023. — Kurzschluss durch zu großzügiges Schmirgeln. Schleifer berührt mehrere Windungen gleichzeitig. Wicklung neu beschichten (z.B. mit dünnem Klarlack) und oben neu schmirgeln.
  • Schleifer rutscht oder klemmt. — Federdruck anpassen. Ein winziger Tropfen leichten Öls auf der Wicklung schmiert und schützt gleichzeitig gegen Oxidation.

Kurzzusammenfassung

Aus Widerstandsdraht und einem Schleifkontakt ist ein echter linearer Positionssensor entstanden. Spannung am Schleifer ist proportional zur Position – die Auflösung wird vom Wicklungsabstand begrenzt, die Stabilität profitiert vom temperaturarmen Konstantan-Draht.

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