Un potenciómetro es una resistencia de tres terminales con un contacto deslizante o giratorio que forma un divisor de voltaje ajustable . [1] Si solo se utilizan dos terminales, un extremo y el limpiador, actúa como una resistencia variable o reóstato .
El instrumento de medición llamado potenciómetro es esencialmente un divisor de voltaje que se utiliza para medir el potencial eléctrico (voltaje); el componente es una implementación del mismo principio, de ahí su nombre.
Los potenciómetros se utilizan comúnmente para controlar dispositivos eléctricos, como controles de volumen en equipos de audio. También se utiliza en el control de velocidad de ventiladores. Los potenciómetros operados por un mecanismo pueden usarse 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.
Algunos términos en la industria electrónica utilizados para describir ciertos tipos de potenciómetros son:
Los potenciómetros constan de un elemento resistivo , un contacto deslizante (limpiador) que se mueve a lo largo del elemento haciendo buen contacto eléctrico con una parte del mismo, terminales eléctricos en cada extremo del elemento, un mecanismo que mueve el limpiador de un extremo al otro. y una carcasa que contiene el elemento y el limpiador.
Muchos potenciómetros baratos están construidos con un elemento resistivo (B en el dibujo recortado) formado en un arco de círculo, generalmente un poco menos de una vuelta completa, y un limpiador (C) que se desliza sobre este elemento cuando se gira, haciendo contacto eléctrico. El elemento resistivo puede ser plano o en ángulo. Cada extremo del elemento resistivo está conectado a un terminal (E, G) en la caja. El limpiaparabrisas está conectado a un tercer terminal (F), normalmente entre los otros dos. En los potenciómetros de panel, el limpiador suele ser el terminal central de tres. Para los potenciómetros de una sola vuelta, este limpiador normalmente recorre poco menos de una revolución alrededor del contacto. El único punto de entrada 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 limpiador que se desliza a lo largo de un elemento lineal en lugar de girar. La contaminación puede potencialmente ingresar en cualquier lugar a lo largo de la ranura por 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 control deslizante proporciona una indicación visual de su ajuste. Si bien la configuración de un potenciómetro giratorio se puede ver mediante la posición de una marca en la perilla, una serie de controles deslizantes pueden dar una impresión visual de la configuración como en un ecualizador gráfico o atenuadores en una mesa de mezclas .
El elemento resistivo de los potenciómetros baratos suele estar hecho de grafito . Otros materiales utilizados incluyen alambre de resistencia, partículas de carbono 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, disolventes y lubricantes, además del carbono que proporciona las propiedades conductoras.
Los potenciómetros multivueltas 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 limpiador que gira 10, 20 o más revoluciones completas, moviéndose a lo largo de la hélice a medida que gira. Los potenciómetros multivuelta, tanto accesibles para el usuario como preestablecidos, permiten ajustes más precisos; la rotación en el mismo ángulo cambia el ajuste normalmente una décima parte más que con un potenciómetro giratorio simple.
Un potenciómetro de cuerda 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 antihorario. Antes de que la electrónica digital se convirtiera en la norma, dicho componente se utilizaba para permitir que los receptores de radio y televisión y otros equipos se encendieran al volumen mínimo con un clic audible y luego el volumen aumentaba girando una perilla. Se pueden agrupar múltiples 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 cumple mejor si el potenciómetro permanece configurado en su posición actual, de modo que el interruptor se acciona mediante una acción de empuje, encendido y apagado alternativamente, mediante presiones axiales de la perilla.
Otros están incluidos dentro del equipo y están destinados a ajustarse para calibrar el equipo durante la fabricación o reparación, y no tocarse de ninguna 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. Por lo general, se les llama potenciómetros (o potenciómetros) "recortadores", "recortadores [ming]" o "preestablecidos", o la marca genérica "trimpot". Se puede acceder a algunos ajustes preestablecidos mediante un pequeño destornillador introducido a través de un orificio en la carcasa para permitir el mantenimiento sin desmontarlos.
La relación entre la posición del cursor y la resistencia, conocida como "conicidad" o "ley", se puede controlar durante la fabricación cambiando la composición o el espesor del revestimiento de resistencia a lo largo del elemento de resistencia. Aunque en principio es posible cualquier conicidad, se fabrican ampliamente dos tipos: potenciómetros lineales y logarítmicos (también conocidos como "conicidad de audio").
Se puede utilizar un código de letras para identificar qué cono se utiliza, pero las definiciones de códigos de letras no están estandarizadas. Los potenciómetros fabricados en Asia y EE. UU. suelen estar marcados con una "A" para conicidad logarítmica o una "B" para conicidad lineal; "C" para el cono logarítmico inverso rara vez visto. Otros, particularmente los de Europa, pueden estar marcados con una "A" para conicidad lineal, una "C" o "B" para conicidad logarítmica o una "F" para conicidad logarítmica inversa. [2] El código utilizado también varía entre los distintos fabricantes. Cuando se hace referencia a un porcentaje con un cono 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 pronunciada será la curva logarítmica. [3]
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 da como resultado un dispositivo donde la resistencia entre el contacto (limpiador) y un terminal final es proporcional a la distancia entre ellos. Los potenciómetros cónicos lineales [4] se utilizan cuando la relación de división del potenciómetro debe ser proporcional al ángulo de rotación del eje (o posición del control deslizante), por ejemplo, controles utilizados 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.
Un potenciómetro cónico logarítmico es un potenciómetro que tiene una polarización incorporada 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 conicidad logarítmica, también conocida como exponente matemático o perfil "cuadrado". Un potenciómetro cónico logarítmico está construido con un elemento resistivo que se "estrecha" 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 de los potenciómetros "log" (más baratos) no son logarítmicos con precisión, pero utilizan dos regiones de resistencia diferente (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 reducción logarítmica escalonada. [5] 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 señal en los sistemas de audio, ya que la percepción humana del volumen del audio es logarítmica, según la ley de Weber-Fechner .
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 existan otros tipos de sensores, como los capacitivos, probablemente se puedan usar otros tipos de potenciómetros sin contacto). construirse), 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 potenciómetro sin contacto con el circuito integrado AS5600. Sin embargo, los codificadores absolutos también deben utilizar principios similares, aunque al ser de uso industrial, ciertamente el coste debe ser inviable para su uso en electrodomésticos.
La forma más común de variar la resistencia en un circuito de forma continua es utilizar un reóstato . [6] Debido al cambio en la resistencia, también se pueden usar para ajustar la magnitud de la corriente en un circuito. La palabra reóstato fue acuñada en 1843 por Sir Charles Wheatstone , [7] del griego ῥέος rheos que significa "corriente", y - στάτης - estados (de ἱστάναι histanai , "establecer, hacer que se mantenga") que significa "colocador, regulador dispositivo", [8] [9] [10] que es una resistencia variable de dos terminales. Para aplicaciones de baja potencia (menos de aproximadamente 1 vatio), a menudo se utiliza un potenciómetro de tres terminales, con un terminal desconectado o conectado al limpiador.
Cuando el reóstato deba tener una potencia mayor (más de aproximadamente 1 vatio), se puede construir con un cable de resistencia enrollado alrededor de un aislador semicircular, con el limpiador deslizándose de una vuelta del cable a la siguiente. A veces, un reóstato está hecho de un cable de resistencia enrollado en un cilindro resistente al calor, con el control deslizante hecho de varios dedos de metal que sujetan ligeramente una pequeña porción de las vueltas del cable de resistencia. Los "dedos" se pueden mover a lo largo de la bobina de cable de resistencia mediante una perilla deslizante, cambiando así el punto de "golpeteo". Los reóstatos bobinados fabricados con potencias de hasta varios miles de vatios se utilizan en aplicaciones como accionamientos de motores de CC, controles de soldadura eléctrica o controles para generadores. La clasificación del reóstato se proporciona con el valor de resistencia total y la disipación de potencia permitida es proporcional a la fracción de la resistencia total del dispositivo en el circuito. Los reóstatos de pila de carbón se utilizan como bancos de carga para probar baterías de automóviles y fuentes de alimentación.
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 digitales se puede ajustar la resistencia entre dos terminales, tal como en un potenciómetro analógico. Hay dos tipos funcionales principales: volátiles, que pierden su posición establecida si se corta la energía, y generalmente están diseñados para inicializarse en la posición mínima, y no volátiles, que conservan su posición establecida mediante un mecanismo de almacenamiento similar a la memoria flash o EEPROM. .
El uso de un digipot es mucho más complejo que el de un simple potenciómetro mecánico y existen muchas limitaciones que observar; sin embargo, se utilizan ampliamente, a menudo para el ajuste y calibración de equipos en fábrica, especialmente cuando las limitaciones de los potenciómetros mecánicos son problemáticas. Un digipot es generalmente inmune a los efectos de vibraciones mecánicas moderadas a largo plazo o 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 pueda almacenar configuraciones y recargarlas en el "potenciómetro" cada vez que se enciende el equipo, se puede usar un DAC multiplicador en lugar de un digipot, y esto puede ofrecer una configuración más alta. resolución, menos deriva con la temperatura y más flexibilidad operativa.
Un potenciómetro de membrana utiliza una membrana conductora que se deforma mediante un elemento deslizante para hacer contacto con un divisor de voltaje de resistencia. La linealidad puede oscilar entre el 0,50% y el 5% dependiendo del material, diseño y 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 este tipo de potenciómetros suele ser de 1 millón a 20 millones de ciclos, según los materiales utilizados durante la fabricación y el método de actuación; Hay disponibles métodos de contacto y sin contacto (magnéticos) (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, teniendo cada una una altura de 0,5 mm. Para la detección de posición se pueden utilizar potenciómetros de membrana. [11]
Para dispositivos de pantalla táctil que utilizan tecnología resistiva, un potenciómetro de membrana bidimensional proporciona las coordenadas xey. 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 tiene un revestimiento resistivo transparente. Un dedo o un lápiz deforma el vidrio para hacer contacto con la capa subyacente. Los bordes de la capa resistiva tienen contactos conductores. La localización del punto de contacto se realiza aplicando un voltaje a los bordes opuestos, dejando los otros dos bordes temporalmente desconectados. 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 frecuentes de posición. Un convertidor analógico a digital proporciona datos de salida.
Las ventajas de estos sensores son que sólo se necesitan cinco conexiones al sensor y que la electrónica asociada es comparativamente sencilla. Otra es que cualquier material que presione la capa superior sobre un área pequeña funciona bien. Una desventaja es que se debe aplicar fuerza suficiente 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).
Los potenciómetros rara vez se utilizan para controlar directamente cantidades significativas de potencia (más de un vatio aproximadamente). En cambio, 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 utiliza un potenciómetro para controlar la conmutación de un TRIAC y, de forma indirecta, para controlar el brillo de las lámparas.
Los potenciómetros preestablecidos se utilizan ampliamente en toda la electrónica dondequiera que se deban 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 amplia variedad de funciones del equipo. El uso generalizado de potenciómetros en la electrónica de consumo disminuyó en la década de 1990, y ahora son más comunes los codificadores incrementales giratorios, los botones pulsadores arriba/abajo y otros controles digitales. Sin embargo, siguen teniendo muchas aplicaciones, como controles de volumen y sensores de posición.
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 que tiene una resistencia, conicidad o "curva" (o ley) de forma logarítmica (log), se utiliza como control de volumen en amplificadores de potencia de audio , donde también se le llama un "receptor cónico de audio", porque la respuesta de amplitud del oído humano es aproximadamente logarítmica. Garantiza que en un control de volumen marcado de 0 a 10, por ejemplo, un ajuste de 5 suene subjetivamente la mitad de alto que un ajuste de 10. También hay un potenciómetro anti-log o un cono de audio inverso que es simplemente el reverso de un logarítmico. potenciómetro. Casi siempre se utiliza en una configuración agrupada con un potenciómetro logarítmico, por ejemplo, en un control de equilibrio de audio.
Los potenciómetros utilizados 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 recta del movimiento físico deslizante. La palabra lineal, cuando se aplica a un potenciómetro, independientemente de que sea de tipo deslizante o giratorio, describe una relación lineal entre la posición del potenciómetro y el valor medido del pin del grifo (limpiador o salida eléctrica) del potenciómetro.
Los potenciómetros se utilizaban antiguamente 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 la compensación de la portadora de audio y video, la frecuencia de sintonización (para presionar -juegos de botones) y así sucesivamente. También ayuda en la modulación de frecuencia de las ondas.
Los potenciómetros se pueden utilizar como dispositivos de retroalimentación de posición para crear un control de circuito cerrado , como en un servomecanismo . Este método de control de movimiento es el método más sencillo para medir el ángulo o el desplazamiento.
Los potenciómetros también se utilizan mucho como parte de los transductores de desplazamiento debido a su simplicidad de construcción y porque pueden dar una gran señal de salida.
En las computadoras analógicas , se utilizan potenciómetros de alta precisión para escalar resultados intermedios mediante factores constantes deseados o para establecer condiciones iniciales para un cálculo. Se puede utilizar un potenciómetro motorizado como generador de funciones , utilizando una tarjeta de resistencia no lineal para proporcionar aproximaciones a funciones trigonométricas. Por ejemplo, la rotación del eje podría representar un ángulo y la relación de división de voltaje puede hacerse proporcional al coseno del ángulo.
El potenciómetro se puede utilizar como divisor de voltaje para obtener un voltaje de salida ajustable manualmente en el control deslizante (limpiador) a partir de un voltaje de entrada fijo aplicado en los dos extremos del potenciómetro. Este es su uso más común.
El voltaje en R L se puede calcular mediante:
Si R L es grande en comparación con las otras resistencias (como la entrada a un amplificador operacional ), el voltaje de salida se puede aproximar mediante la ecuación más simple:
Como ejemplo, supongamos , , , y
Dado que la resistencia de carga es grande en comparación con las otras resistencias, el voltaje de salida V L será aproximadamente:
Sin embargo, debido a la resistencia de carga, en realidad será ligeramente menor: ≈ 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 donde siempre fluirá algo de corriente , los divisores pueden variar el voltaje de salida desde el máximo ( V S ) hasta tierra (cero voltios) a medida que el limpiador se mueve de un extremo del potenciómetro al otro. Sin embargo, siempre existe 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, dependiendo de la carga.
