Potenciómetro
Un potenciómetro es una resistencia de tres terminales con un contacto deslizante o giratorio que forma un divisor de voltaje ajustable. Si solo se utilizan dos terminales, un extremo y el limpiaparabrisas, actúa como una resistencia variable o reóstato.
El instrumento de medición llamado potenciómetro es esencialmente un divisor de voltaje que se usa para medir el potencial eléctrico (voltaje); el componente es una implementación del mismo principio, de ahí su nombre.
Los potenciómetros se usan comúnmente para controlar dispositivos eléctricos, como controles de volumen en equipos de audio. Los potenciómetros operados por un mecanismo se pueden usar como transductores de posición, por ejemplo, en un joystick. Los potenciómetros rara vez se utilizan para controlar directamente una potencia significativa (más de un vatio), ya que la potencia disipada en el potenciómetro sería comparable a la potencia en la carga controlada.
Nomenclatura
Hay una serie de términos en la industria electrónica que se utilizan para describir ciertos tipos de potenciómetros:
- olla de diapositivas o olla deslizante: un potenciómetro que se ajusta deslizando el limpiaparabrisas izquierda o derecha (o arriba y abajo, dependiendo de la instalación), generalmente con un dedo o pulgar
- pulgar o olla de pulgar: un pequeño potenciómetro giratorio destinado a ser ajustado infrecuentemente por medio de una pequeña rueda de pulgar
- trimpot o trimmer pot: un potenciómetro trimmer típicamente destinado a ser ajustado una vez o infrecuentemente para "finar el ajuste" una señal eléctrica
Construcción
Los potenciómetros constan de un elemento resistivo, un contacto deslizante (limpiador) que se mueve a lo largo del elemento, haciendo un buen contacto eléctrico con una parte del mismo, terminales eléctricas en cada extremo del elemento, un mecanismo que mueve el limpiador desde un extremo al otro, y una carcasa que contiene el elemento y el limpiaparabrisas.
Muchos potenciómetros económicos están construidos con un elemento resistivo (B en el dibujo cortado) formado en un arco de círculo, generalmente un poco menos de una vuelta completa, y un rascador (C) que se desliza sobre este elemento cuando se gira, haciendo contacto eléctrico. El elemento resistivo puede ser plano o angulado. Cada extremo del elemento resistivo está conectado a un terminal (E, G) en la caja. El limpiaparabrisas está conectado a un tercer terminal (F), generalmente entre los otros dos. En los potenciómetros del panel, el limpiaparabrisas suele ser el terminal central de tres. Para los potenciómetros de una sola vuelta, este limpiaparabrisas normalmente se desplaza justo por debajo de una revolución alrededor del contacto. El único punto de ingreso de contaminación es el estrecho espacio entre el eje y la carcasa en la que gira.
Otro tipo es el potenciómetro deslizante lineal, que tiene un limpiaparabrisas que se desliza a lo largo de un elemento lineal en lugar de girar. La contaminación puede entrar potencialmente en cualquier lugar a lo largo de la ranura en la que se mueve el control deslizante, lo que dificulta el sellado efectivo y compromete la confiabilidad a largo plazo. Una ventaja del potenciómetro deslizante es que la posición del deslizador da una indicación visual de su configuración. Mientras que la configuración de un potenciómetro giratorio se puede ver por la posición de una marca en la perilla, una serie de controles deslizantes puede dar una impresión visual de la configuración como en un ecualizador gráfico o faders en una mesa de mezclas.
El elemento resistivo de los potenciómetros económicos suele estar hecho de grafito. Otros materiales utilizados incluyen alambre de resistencia, partículas de carbón en plástico y una mezcla de cerámica y metal llamada cermet. Los potenciómetros de pista conductora utilizan pastas de resistencia de polímero conductor que contienen resinas y polímeros resistentes, solventes y lubricantes, además del carbono que proporciona las propiedades conductoras.
Los potenciómetros de varias vueltas también funcionan girando un eje, pero varias vueltas en lugar de menos de una vuelta completa. Algunos potenciómetros multivueltas tienen un elemento resistivo lineal con un contacto deslizante movido por un tornillo de avance; otros tienen un elemento resistivo helicoidal y un rascador que da 10, 20 o más revoluciones completas, moviéndose a lo largo de la hélice a medida que gira. Los potenciómetros de varias vueltas, tanto accesibles por el usuario como preestablecidos, permiten ajustes más precisos; la rotación en el mismo ángulo cambia el ajuste típicamente en una décima parte de lo que ocurre con un potenciómetro giratorio simple.
Un potenciómetro de cadena es un potenciómetro de múltiples vueltas operado por un carrete de alambre adjunto que gira contra un resorte, lo que le permite convertir la posición lineal en una resistencia variable.
Los potenciómetros giratorios accesibles para el usuario pueden equiparse con un interruptor que normalmente funciona en el extremo de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj. Antes de que la electrónica digital se convirtiera en la norma, dicho componente se usaba para permitir que los receptores de radio y televisión y otros equipos se encendieran al volumen mínimo con un clic audible, luego el volumen aumentaba girando una perilla. Se pueden agrupar varios elementos de resistencia con sus contactos deslizantes en el mismo eje, por ejemplo, en amplificadores de audio estéreo para control de volumen. En otras aplicaciones, como los atenuadores de luz domésticos, el patrón de uso normal se satisface mejor si el potenciómetro permanece en su posición actual, de modo que el interruptor se opere mediante una acción de empuje, alternativamente encendido y apagado, presionando axialmente la perilla.
Otros están encerrados dentro del equipo y están destinados a ser ajustados para calibrar el equipo durante la fabricación o reparación, y no se tocan de otra manera. Por lo general, son físicamente mucho más pequeños que los potenciómetros accesibles para el usuario y es posible que deban operarse con un destornillador en lugar de tener una perilla. Suelen llamarse "potenciómetros preestablecidos" o "recortar [macetas]". Se puede acceder a algunos ajustes preestablecidos mediante un pequeño destornillador que se introduce a través de un orificio en la caja para permitir el mantenimiento sin desmontar.
Relación resistencia-posición: "conicidad"
La relación entre la posición del control deslizante y la resistencia, conocida como "conicidad" o "ley", está controlado por el fabricante. En principio, cualquier relación es posible, pero para la mayoría de los propósitos, los potenciómetros lineales o logarítmicos (también conocidos como "cono de audio") son suficientes.
Se puede usar un código de letras para identificar qué conicidad se usa, pero las definiciones de los códigos de letras no están estandarizadas. Los potenciómetros fabricados en Asia y EE. UU. suelen estar marcados con una "A" para conicidad logarítmica o "B" para conicidad lineal; "C" para la conicidad logarítmica inversa raramente vista. Otros, particularmente los de Europa, pueden estar marcados con una "A" para conicidad lineal, un "C" o "B" para conicidad logarítmica, o una "F" para conicidad logarítmica inversa. El código utilizado también varía entre los diferentes fabricantes. Cuando se hace referencia a un porcentaje con una conicidad no lineal, se relaciona con el valor de resistencia en el punto medio de la rotación del eje. Por lo tanto, una conicidad logarítmica del 10 % mediría el 10 % de la resistencia total en el punto medio de la rotación; es decir, una conicidad logarítmica del 10 % en un potenciómetro de 10 kOhm produciría 1 kOhm en el punto medio. Cuanto mayor sea el porcentaje, más inclinada será la curva logarítmica.
Potenciómetro cónico lineal
Un potenciómetro cónico lineal (lineal describe la característica eléctrica del dispositivo, no la geometría del elemento resistivo) tiene un elemento resistivo de sección transversal constante, lo que resulta en un dispositivo donde la resistencia entre el contacto (limpiador) y un terminal final es proporcional a la distancia entre ellos. Los potenciómetros cónicos lineales se usan cuando la relación de división del potenciómetro debe ser proporcional al ángulo de rotación del eje (o la posición del control deslizante), por ejemplo, los controles que se usan para ajustar el centrado de la pantalla en un osciloscopio de rayos catódicos analógico. Los potenciómetros de precisión tienen una relación precisa entre la resistencia y la posición del control deslizante.
Potenciómetro logarítmico
Un potenciómetro cónico logarítmico es un potenciómetro que tiene una polarización integrada en el elemento resistivo. Básicamente, esto significa que la posición central del potenciómetro no es la mitad del valor total del potenciómetro. El elemento resistivo está diseñado para seguir una forma cónica logarítmica, también conocida como exponente matemático o "cuadrado" perfil. Un potenciómetro cónico logarítmico se construye con un elemento resistivo que se "afila" de un extremo al otro, o está hecho de un material cuya resistividad varía de un extremo al otro. Esto da como resultado un dispositivo donde el voltaje de salida es una función logarítmica de la posición del control deslizante.
La mayoría (más barata) "log" Los potenciómetros no son logarítmicos precisos, pero usan dos regiones de diferente resistencia (pero resistividad constante) para aproximarse a una ley logarítmica. Las dos pistas resistivas se superponen aproximadamente al 50 % de la rotación del potenciómetro; esto da una disminución gradual logarítmica. También se puede simular un potenciómetro logarítmico (no con mucha precisión) con uno lineal y una resistencia externa. Los verdaderos potenciómetros logarítmicos son significativamente más caros.
Los potenciómetros cónicos logarítmicos se utilizan a menudo para el volumen o el nivel de la señal en los sistemas de audio, ya que la percepción humana del volumen de audio es logarítmica, según la ley de Weber-Fechner.
Potenciómetro sin contacto
A diferencia de los potenciómetros mecánicos, los potenciómetros sin contacto utilizan un disco óptico para activar un sensor de infrarrojos o un imán para activar un sensor magnético (siempre que haya otros tipos de sensores, como sensores capacitivos)., probablemente se pueden construir otros tipos de potenciómetros sin contacto), y luego un circuito electrónico procesa la señal para proporcionar una señal de salida que puede ser analógica o digital.
Se puede encontrar un ejemplo de un potenciómetro sin contacto con el circuito integrado AS5600. Sin embargo, los encoders absolutos también deben utilizar principios similares, aunque al ser de uso industrial, ciertamente el coste debe ser inviable para su uso en electrodomésticos.
Reostato
La forma más común de variar la resistencia en un circuito continuamente es usando un reóstato. Básicamente se utiliza para ajustar la magnitud de la corriente en un circuito cambiando la longitud. La palabra reóstato fue acuñada alrededor de 1845 por Sir Charles Wheatstone, del griego ῥέος rheos que significa "corriente", y -στάτης -estados (de ἱστάναι histanai, " establecer, hacer que se pare") que significa "establecedor, dispositivo regulador", que es una resistencia variable de dos terminales. Para aplicaciones de baja potencia (menos de aproximadamente 1 vatio), a menudo se usa un potenciómetro de tres terminales, con una terminal desconectada o conectada al limpiaparabrisas.
Cuando el reóstato deba estar clasificado para mayor potencia (más de aproximadamente 1 vatio), se puede construir con un cable de resistencia enrollado alrededor de un aislador semicircular, con el limpiaparabrisas deslizándose de una vuelta del cable a la siguiente. A veces, un reóstato está hecho de alambre de resistencia enrollado en un cilindro resistente al calor, con el deslizador hecho de varios dedos de metal que sujetan ligeramente una pequeña porción de las vueltas del alambre de resistencia. Los "dedos" se puede mover a lo largo de la bobina del cable de resistencia mediante una perilla deslizante, cambiando así el "toque" punto. Los reóstatos de alambre bobinado fabricados con clasificaciones de hasta varios miles de vatios se utilizan en aplicaciones tales como impulsores de motores de CC, controles de soldadura eléctrica o en los controles de generadores. La clasificación del reóstato se da con el valor total de la resistencia y la disipación de potencia permisible es proporcional a la fracción de la resistencia total del dispositivo en el circuito. Los reóstatos de pila de carbono se utilizan como bancos de carga para probar baterías de automóviles y fuentes de alimentación.
Rheostat de 1843 de Charles Wheatstone con un metal y un cilindro de madera
Charles Wheatstone's 1843 reheostat con un silbido en movimiento
Símbolo electrónico para el reostato
Símbolo electrónico para el reostato preestablecido
Un potenciómetro de alambre de alta potencia
Potenciómetro digital
Un potenciómetro digital (a menudo llamado digipot) es un componente electrónico que imita las funciones de los potenciómetros analógicos. A través de señales de entrada digital, se puede ajustar la resistencia entre dos terminales, al igual que en un potenciómetro analógico. Hay dos tipos funcionales principales: volátiles, que pierden su posición establecida si se corta la alimentación y, por lo general, están diseñados para inicializarse en la posición mínima, y no volátiles, que conservan su posición establecida utilizando un mecanismo de almacenamiento similar a la memoria flash o EEPROM..
El uso de un potenciómetro digital es mucho más complejo que el de un potenciómetro mecánico simple, y hay muchas limitaciones que observar; sin embargo, se utilizan ampliamente, a menudo para el ajuste y la calibración de equipos en fábrica, especialmente cuando las limitaciones de los potenciómetros mecánicos son problemáticas. Por lo general, un potenciómetro digital es inmune a los efectos de la vibración mecánica moderada a largo plazo o la contaminación ambiental, en la misma medida que otros dispositivos semiconductores, y puede protegerse electrónicamente contra manipulaciones no autorizadas protegiendo el acceso a sus entradas de programación por varios medios.
En equipos que tienen un microprocesador, FPGA u otra lógica funcional que puede almacenar configuraciones y recargarlas en el "potenciómetro" cada vez que se enciende el equipo, se puede usar un DAC multiplicador en lugar de un potenciómetro digital, y esto puede ofrecer una resolución de configuración más alta, menos deriva con la temperatura y más flexibilidad operativa.
Potenciómetros de membrana
Un potenciómetro de membrana usa una membrana conductora que es deformada por un elemento deslizante para hacer contacto con un divisor de voltaje de resistencia. La linealidad puede oscilar entre el 0,50% y el 5% según el material, el diseño y el proceso de fabricación. La precisión de repetición suele estar entre 0,1 mm y 1,0 mm con una resolución teóricamente infinita. La vida útil de estos tipos de potenciómetros suele ser de 1 millón a 20 millones de ciclos, según los materiales utilizados durante la fabricación y el método de actuación; Los métodos de contacto y sin contacto (magnéticos) están disponibles (para detectar la posición). Hay muchas variaciones de materiales diferentes disponibles, como PET, FR4 y Kapton. Los fabricantes de potenciómetros de membrana ofrecen variaciones lineales, rotativas y específicas de la aplicación. Las versiones lineales pueden variar de 9 mm a 1000 mm de longitud y las versiones giratorias de 20 a 450 mm de diámetro, cada una con una altura de 0,5 mm. Los potenciómetros de membrana se pueden utilizar para la detección de posición.
Para los dispositivos de pantalla táctil que usan tecnología resistiva, un potenciómetro de membrana bidimensional proporciona las coordenadas x e y. La capa superior es un vidrio delgado espaciado cerca de una capa interna vecina. La parte inferior de la capa superior tiene un revestimiento conductor transparente; la superficie de la capa debajo de ella tiene un revestimiento resistivo transparente. Un dedo o un lápiz óptico deforma el vidrio para hacer contacto con la capa subyacente. Los bordes de la capa resistiva tienen contactos conductores. La ubicación del punto de contacto se realiza aplicando un voltaje a los bordes opuestos, dejando los otros dos bordes desconectados temporalmente. El voltaje de la capa superior proporciona una coordenada. Desconectar esos dos bordes y aplicar voltaje a los otros dos, antes desconectados, proporciona la otra coordenada. La alternancia rápida entre pares de bordes proporciona actualizaciones de posición frecuentes. Un convertidor de analógico a digital proporciona datos de salida.
Las ventajas de tales sensores son que solo se necesitan cinco conexiones al sensor, y la electrónica asociada es comparativamente simple. Otra es que cualquier material que deprima la capa superior sobre un área pequeña funciona bien. Una desventaja es que se debe aplicar suficiente fuerza para hacer contacto. Otra es que el sensor requiere una calibración ocasional para hacer coincidir la ubicación táctil con la pantalla subyacente. (Los sensores capacitivos no requieren calibración ni fuerza de contacto, solo la proximidad de un dedo u otro objeto conductor. Sin embargo, son significativamente más complejos).
Aplicaciones
Los potenciómetros rara vez se usan para controlar directamente cantidades significativas de energía (más de un vatio más o menos). En su lugar, se utilizan para ajustar el nivel de señales analógicas (por ejemplo, controles de volumen de equipos de audio) y como entradas de control para circuitos electrónicos. Por ejemplo, un atenuador de luz usa un potenciómetro para controlar la conmutación de un TRIAC y, de manera indirecta, para controlar el brillo de las lámparas.
Los potenciómetros preestablecidos se usan ampliamente en toda la electrónica donde se deben realizar ajustes durante la fabricación o el servicio.
Los potenciómetros accionados por el usuario se utilizan ampliamente como controles de usuario y pueden controlar una gran variedad de funciones del equipo. El uso generalizado de potenciómetros en la electrónica de consumo disminuyó en la década de 1990, con codificadores incrementales rotativos, botones pulsadores arriba/abajo y otros controles digitales ahora más comunes. Sin embargo, permanecen en muchas aplicaciones, como controles de volumen y sensores de posición.
Control de sonido
Los potenciómetros de baja potencia, tanto deslizantes como giratorios, se utilizan para controlar equipos de audio, cambiar el volumen, la atenuación de frecuencia y otras características de las señales de audio.
El 'log pot', es decir, un potenciómetro tiene una resistencia, conicidad o "curva" (o ley) de forma logarítmica (log), se utiliza como control de volumen en los amplificadores de potencia de audio, donde también se le llama "potenciómetro cónico de audio", porque la respuesta de amplitud del oído humano es aproximadamente logarítmico. Asegura que en un control de volumen marcado de 0 a 10, por ejemplo, una configuración de 5 suena subjetivamente la mitad de fuerte que una configuración de 10. También hay un anti-log pot o reverse conicidad de audio que es simplemente el reverso de un potenciómetro logarítmico. Casi siempre se usa en una configuración agrupada con un potenciómetro logarítmico, por ejemplo, en un control de balance de audio.
Los potenciómetros usados en combinación con redes de filtros actúan como controles de tono o ecualizadores.
En los sistemas de audio, la palabra lineal a veces se aplica de manera confusa para describir los potenciómetros deslizantes debido a la naturaleza de línea recta del movimiento deslizante físico. La palabra lineal cuando se aplica a un potenciómetro independientemente de que sea de tipo deslizante o giratorio, describe una relación lineal de la posición del potenciómetro frente al valor medido del pin del grifo del potenciómetro (salida eléctrica o limpiaparabrisas).
Televisión
Anteriormente, los potenciómetros se usaban para controlar el brillo, el contraste y la respuesta del color de la imagen. A menudo se usaba un potenciómetro para ajustar la "retención vertical", lo que afectaba la sincronización entre el circuito de barrido interno del receptor (a veces un multivibrador) y la señal de imagen recibida, junto con otras cosas como el audio. desplazamiento de la portadora de video, frecuencia de sintonización (para conjuntos de botones), etc. También ayuda en la modulación de frecuencia de las ondas.
Control de movimiento
Los potenciómetros se pueden usar como dispositivos de retroalimentación de posición para crear un control de bucle cerrado, como en un servomecanismo. Este método de control de movimiento es el método más simple para medir el ángulo o el desplazamiento.
Transductores
Los potenciómetros también se usan mucho como parte de los transductores de desplazamiento debido a la simplicidad de construcción y porque pueden dar una gran señal de salida.
Cálculo
En las computadoras analógicas, se utilizan potenciómetros de alta precisión para escalar los resultados intermedios según los factores constantes deseados o para establecer las condiciones iniciales para un cálculo. Se puede usar un potenciómetro accionado por motor como generador de funciones, usando una tarjeta de resistencia no lineal para proporcionar aproximaciones a las funciones trigonométricas. Por ejemplo, la rotación del eje puede representar un ángulo y la relación de división de voltaje puede hacerse proporcional al coseno del ángulo.
Teoría de funcionamiento
El potenciómetro se puede utilizar como divisor de tensión para obtener una tensión de salida ajustable manualmente en el control deslizante (limpiador) a partir de una tensión de entrada fija aplicada en los dos extremos del potenciómetro. Este es su uso más común.
El voltaje a través de RL se puede calcular mediante:
Si RL es grande en comparación con las otras resistencias (como la entrada a un amplificador operacional), la El voltaje de salida se puede aproximar mediante la ecuación más simple:
Como ejemplo, asuma VS=10V{displaystyle V_{mathrm {S}=10 mathrm {V}, R1=1kΩ Ω {displaystyle R_{1}=1mathrm {kOmega }, R2=2kΩ Ω {displaystyle R_{2}=2mathrm {kOmega }, y RL=100kΩ Ω .{displaystyle R_{mathrm {L}=100mathrm {kOmega}
Dado que la resistencia de carga es grande en comparación con las otras resistencias, el voltaje de salida VL será aproximadamente:
Sin embargo, debido a la resistencia de la carga, en realidad será ligeramente inferior: ≈ 6,623 V.
Una de las ventajas del divisor de potencial en comparación con una resistencia variable en serie con la fuente es que, mientras que las resistencias variables tienen una resistencia máxima en la que siempre fluirá algo de corriente, los divisores pueden variar el voltaje de salida del máximo (VS) a tierra (cero voltios) a medida que el limpiaparabrisas se mueve de un extremo del potenciómetro al otro. Sin embargo, siempre hay una pequeña cantidad de resistencia de contacto.
Además, la resistencia de la carga a menudo no se conoce y, por lo tanto, simplemente colocar una resistencia variable en serie con la carga podría tener un efecto insignificante o excesivo, según la carga.
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