Potenciómetro

Un potenciómetro es una resistencia de tres terminales con un contacto deslizante o giratorio que forma un divisor de voltaje ajustable . ^{[ 1 ]} En los sistemas de control de movimiento, los potenciómetros se utilizan frecuentemente como sensores de posición para proporcionar retroalimentación analógica a un controlador, lo que permite un seguimiento preciso del movimiento mecánico. Si solo se utilizan dos terminales, un extremo y el cursor, 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 los controles de volumen en equipos de audio. También se emplean para controlar la velocidad de los ventiladores. Los potenciómetros accionados por un mecanismo pueden usarse como transductores de posición , por ejemplo, en un joystick . Raramente se utilizan para controlar directamente potencias significativas (superiores a un vatio ), ya que la potencia disipada en el potenciómetro sería comparable a la potencia de la carga controlada.

Algunos términos utilizados en la industria electrónica para describir ciertos tipos de potenciómetros son:

• potenciómetro —abreviatura de potenciómetro
• Potenciómetro deslizante o potenciómetro de corredera : un potenciómetro que se ajusta deslizando el cursor hacia la izquierda o hacia la derecha (o hacia arriba y hacia abajo, según la instalación), generalmente con un dedo o el pulgar.
• Potenciómetro de pulgar o potenciómetro de rueda de pulgar : un pequeño potenciómetro giratorio diseñado para ajustarse con poca frecuencia mediante una pequeña rueda de pulgar.
• potenciómetro de ajuste o potenciómetro de ajuste —un potenciómetro de ajuste que normalmente se ajusta una sola vez o con poca frecuencia para "afinar" una señal eléctrica.

Los potenciómetros constan de un elemento resistivo , un contacto deslizante (cursor) que se mueve a lo largo del elemento, haciendo un buen contacto eléctrico con una parte del mismo, terminales eléctricos en cada extremo del elemento, un mecanismo que mueve el cursor de un extremo al otro y una carcasa que contiene el elemento y el cursor.

Muchos potenciómetros económicos están construidos con un elemento resistivo (B en el dibujo de sección transversal) con forma de arco circular, generalmente de un poco menos de una vuelta completa, y un cursor (C) que se desliza sobre este elemento al girar, estableciendo contacto eléctrico. El elemento resistivo puede ser plano o angular. Cada extremo del elemento resistivo está conectado a un terminal (E, G) en la carcasa. El cursor está conectado a un tercer terminal (F), generalmente entre los otros dos. En los potenciómetros de panel, el cursor suele ser el terminal central de los tres. En los potenciómetros de una vuelta, este cursor normalmente recorre poco menos de una vuelta 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 cursor que se desliza a lo largo de un elemento lineal en lugar de girar. La contaminación puede entrar por cualquier punto de la ranura por la que se mueve el cursor, lo que dificulta un sellado eficaz y compromete la fiabilidad a largo plazo. Una ventaja del potenciómetro deslizante es que su posición proporciona una indicación visual de su ajuste. Mientras que el ajuste de un potenciómetro rotativo se puede ver por la posición de una marca en el mando, una serie de deslizadores puede dar una impresión visual de los ajustes, como en un ecualizador gráfico o en los faders de una mesa de mezclas .

El elemento resistivo de los potenciómetros económicos suele estar hecho de grafito . Otros materiales utilizados incluyen alambre resistivo, partículas de carbono en plástico y una mezcla de cerámica y metal llamada cermet .

Los potenciómetros de pista conductora utilizan pastas resistivas de polímero conductor que contienen resinas y polímeros resistentes al desgaste, disolventes y lubricante, además del carbono que proporciona las propiedades conductoras.

Los potenciómetros multivuelta también se accionan girando un eje, pero en varias vueltas en lugar de menos de una vuelta completa. Algunos potenciómetros multivuelta tienen un elemento resistivo lineal con un contacto deslizante movido por un husillo; otros tienen un elemento resistivo helicoidal y un cursor que gira 10, 20 o más vueltas completas, moviéndose a lo largo de la hélice a medida que gira. Los potenciómetros multivuelta, tanto los de ajuste manual como los preajustables, permiten ajustes más precisos; girar el mismo ángulo modifica el ajuste en una décima parte de lo que lo haría un potenciómetro rotativo simple.

Un potenciómetro de cuerda es un potenciómetro de varias vueltas que se acciona mediante un carrete de alambre conectado que gira contra un resorte, lo que le permite convertir una posición lineal en una resistencia variable.

Los potenciómetros rotativos accesibles al usuario pueden equiparse con un interruptor que normalmente funciona en el extremo opuesto a las agujas del reloj. Antes de que la electrónica digital se convirtiera en la norma, este componente se utilizaba para encender receptores de radio y televisión y otros equipos al mínimo volumen con un clic audible, y luego aumentar el volumen girando el mismo mando. En otras aplicaciones, como los reguladores de intensidad de luz domésticos , el uso habitual se satisface mejor si el potenciómetro permanece en su posición actual, por lo que el interruptor se acciona mediante pulsaciones, alternando entre encendido y apagado, al presionar el mando axialmente.

Se pueden agrupar varios elementos resistivos con sus contactos deslizantes en el mismo eje, por ejemplo, en amplificadores de audio estéreo para el control de volumen. Los controles de mezcla o balance tienen elementos resistivos en direcciones opuestas, de modo que cada canal tiene el mismo nivel en el centro y uno u otro canal tiene la máxima resistencia en los extremos opuestos de la rotación. Estos pueden tener transiciones que cubren solo la mitad de la pista, de modo que ambos canales tienen el volumen máximo en el centro y solo uno u otro canal se ve afectado en otras posiciones de rotación. ^{[ 2 ]}

Otros potenciómetros están integrados en el equipo y solo deben ajustarse durante la calibración, ya sea en la fabricación o reparación, sin necesidad de manipularlos en otras ocasiones. Suelen ser mucho más pequeños que los potenciómetros accesibles al usuario y, en lugar de tener una perilla, pueden requerir un destornillador para su accionamiento. Generalmente se les denomina potenciómetros de ajuste fino o de preajuste, o bien, con el nombre genérico de "trimpot".

Relación resistencia-posición: "ahusamiento"

La relación entre la posición del cursor y la resistencia, conocida como "curva" o "ley", se puede controlar durante la fabricación modificando la composición o el grosor del recubrimiento resistivo a lo largo del elemento resistivo. Si bien en principio es posible cualquier curva, se fabrican ampliamente dos tipos: potenciómetros lineales y logarítmicos (también conocidos como de "curva de audio").

Se puede usar un código de letras para identificar qué tipo de conicidad se utiliza, pero las definiciones de estos códigos no están estandarizadas. Los potenciómetros fabricados en Asia y EE. UU. suelen estar marcados con una "A" para la conicidad logarítmica o una "B" para la lineal; y una "C" para la conicidad logarítmica inversa, que es poco común. Otros, especialmente los de Europa, pueden estar marcados con una "A" para la conicidad lineal, una "C" o una "B" para la logarítmica, o una "F" para la logarítmica inversa. ^{[ 3 ]} El código utilizado también varía entre los diferentes fabricantes. Cuando se hace referencia a un porcentaje con una conicidad no lineal, este 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 kΩ daría como resultado 1  kΩ en el punto medio. Cuanto mayor sea el porcentaje, más pronunciada será la curva logarítmica. ^{[ 4 ]}

Potenciómetro de conicidad lineal

Un potenciómetro de conicidad lineal ( el término lineal describe la característica eléctrica del dispositivo, no la geometría del elemento resistivo) posee un elemento resistivo de sección transversal constante, lo que resulta en un dispositivo donde la resistencia entre el contacto (cursor) y un terminal es proporcional a la distancia entre ellos. Los potenciómetros de conicidad lineal ^{[ 5 ]} se utilizan cuando la relación de división del potenciómetro debe ser proporcional al ángulo de rotación del eje (o posición del cursor), por ejemplo, en los controles utilizados para ajustar el centrado de la pantalla en un osciloscopio de rayos catódicos analógico . Los potenciómetros de precisión mantienen una relación exacta entre la resistencia y la posición del cursor.

Potenciómetro logarítmico

Un potenciómetro de variación logarítmica es aquel que incorpora una polarización en su elemento resistivo, lo que significa que la posición central no representa la mitad de su valor total. El elemento resistivo está diseñado para seguir una función logarítmica, también conocida como exponente matemático o perfil al cuadrado. Un potenciómetro de variación logarítmica se construye con un elemento resistivo cuya resistividad disminuye gradualmente de un extremo al otro, o bien está fabricado con un material cuya resistividad varía en dicha dirección. Esto da como resultado un dispositivo donde el voltaje de salida es una función logarítmica de la posición del cursor.

La mayoría de los potenciómetros logarítmicos (más económicos) no son logarítmicos con precisión, sino que utilizan dos regiones de diferente resistencia (pero resistividad constante) para aproximar una ley logarítmica. Las dos pistas resistivas se superponen aproximadamente al 50 % de la rotación del potenciómetro, lo que genera una variación logarítmica gradual. ^{[ 6 ]} Un potenciómetro logarítmico también puede simularse con uno lineal y una resistencia externa. Los potenciómetros verdaderamente logarítmicos son considerablemente más caros.

Los potenciómetros de curva logarítmica se utilizan a menudo para el volumen o el nivel de 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 infrarrojo, o un imán para activar un sensor magnético (siempre que existan otros tipos de sensores, como los capacitivos, probablemente se puedan 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.

Un ejemplo de potenciómetro sin contacto se encuentra en el circuito integrado AS5600 . Sin embargo, los codificadores absolutos también deben usar principios similares, aunque, al ser para uso industrial, su costo seguramente resultaría prohibitivo para su uso en electrodomésticos.

La forma más común de variar la resistencia en un circuito de forma continua es mediante un reóstato . ^{[ 7 ]} 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 , ^{[ 8 ]} del griego ῥέος rheos que significa "corriente", y - στάτης - estados (de ἱστάναι histanai , "establecer, hacer que se mantenga") que significa "ajustador, dispositivo regulador", ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} que es una resistencia variable de dos terminales. Para aplicaciones de baja potencia (menos de aproximadamente 1 vatio) se suele usar un potenciómetro de tres terminales, con un terminal desconectado o conectado al cursor.

Cuando se requiere un reóstato para una potencia superior a 1 vatio, este puede construirse con un hilo resistivo enrollado alrededor de un aislante semicircular, con el cursor deslizándose de una vuelta a la siguiente. En ocasiones, se fabrica un reóstato con hilo resistivo enrollado en un cilindro resistente al calor, con el cursor formado por varios dedos metálicos que sujetan ligeramente una pequeña porción de las vueltas del hilo resistivo. Estos dedos pueden moverse a lo largo de la bobina mediante un mando deslizante, modificando así el punto de activación. Los reóstatos de hilo resistivo con potencias de hasta varios miles de vatios se utilizan en aplicaciones como accionamientos de motores de CC, controles de soldadura eléctrica o en el control de generadores. La potencia nominal del reóstato se indica con el valor de resistencia total, y la disipación de potencia admisible 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.

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  Reóstato de Charles Wheatstone de 1843 con cilindro de metal y madera.
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  Reóstato de Charles Wheatstone de 1843 con bigote móvil.
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  Símbolo electrónico del reóstato
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  Símbolo electrónico del reóstato de ajuste
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  Un potenciómetro bobinado de alta potencia

Un potenciómetro digital (a menudo llamado digipot) es un componente electrónico que imita las funciones de los potenciómetros analógicos. Mediante señales de entrada digitales, se puede ajustar la resistencia entre dos terminales, al igual que en un potenciómetro analógico. Existen dos tipos principales: volátiles, que pierden su posición de ajuste si se interrumpe la alimentación y suelen estar diseñados para inicializarse en la posición mínima, y ​​no volátiles, que conservan su posición de ajuste mediante 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 existen numerosas limitaciones que deben tenerse en cuenta; sin embargo, se utilizan ampliamente, a menudo para el ajuste y la calibración de equipos en fábrica, especialmente donde las limitaciones de los potenciómetros mecánicos resultan problemáticas. Un potenciómetro digital es generalmente inmune a los efectos de vibraciones mecánicas moderadas a largo plazo o a 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 mediante diversos medios.

En equipos que cuentan con un microprocesador , FPGA u otra lógica funcional que puede almacenar ajustes y recargarlos en el "potenciómetro" cada vez que se enciende el equipo, se puede utilizar un convertidor digital-analógico (DAC ) multiplicador en lugar de un potenciómetro digital, lo que puede ofrecer una mayor resolución de ajuste, menor deriva con la temperatura y mayor flexibilidad operativa.

Un potenciómetro de membrana utiliza una membrana conductora que se deforma mediante un elemento deslizante para contactar con un divisor de tensión resistivo. La linealidad puede variar entre el 0,50 % y el 5 %, dependiendo del 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 este tipo de potenciómetros suele ser de entre 1 millón y 20 millones de ciclos, dependiendo de los materiales utilizados en la fabricación y del método de accionamiento; existen métodos de contacto y sin contacto (magnéticos) para la detección de posición. Hay disponibles muchas variantes de materiales, como PET , FR4 y Kapton. Los fabricantes de potenciómetros de membrana ofrecen variantes lineales, rotativas y específicas para cada aplicación. Las versiones lineales pueden tener longitudes de entre 9  mm y 1000  mm, y las rotativas, diámetros de entre 20 y 450  mm, con una altura de 0,5  mm en cada caso. Los potenciómetros de membrana se pueden utilizar para la detección de posición. ^{[ 12 ]}

En dispositivos con pantalla táctil que utilizan tecnología resistiva, un potenciómetro de membrana bidimensional proporciona las coordenadas x e y. La capa superior es de vidrio delgado, muy cerca de una capa interna adyacente. La parte inferior de la capa superior tiene un recubrimiento conductor transparente; la superficie de la capa inferior tiene un recubrimiento 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 localización del punto de contacto se realiza aplicando un voltaje a los bordes opuestos, dejando temporalmente los otros dos bordes desconectados. El voltaje de la capa superior proporciona una coordenada. Al desconectar esos dos bordes y aplicar voltaje a los otros dos, previamente desconectados, se obtiene la otra coordenada. La alternancia rápida entre pares de bordes proporciona actualizaciones frecuentes de la posición. Un convertidor analógico-digital proporciona los datos de salida.

Las ventajas de estos sensores son que solo requieren cinco conexiones y que la electrónica asociada es relativamente sencilla. Otra ventaja es que cualquier material que presione la capa superior sobre un área pequeña funciona bien. Una desventaja es que se debe aplicar la fuerza suficiente para establecer contacto. Además, el sensor requiere calibración periódica para que la ubicación del toque coincida 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 considerablemente más complejos).

Los potenciómetros rara vez se utilizan para controlar directamente cantidades significativas de potencia (más de un vatio aproximadamente). En cambio, se emplean para ajustar el nivel de señales analógicas (por ejemplo, para controlar el volumen de equipos de audio ) y como entradas de control para circuitos electrónicos. Por ejemplo, un regulador de intensidad luminosa utiliza un potenciómetro para controlar la conmutación de un TRIAC y, por lo tanto, controlar indirectamente el brillo de las lámparas.

Los potenciómetros preajustables se utilizan ampliamente en la electrónica siempre que sea necesario realizar ajustes durante la fabricación o el mantenimiento.

Los potenciómetros accionados por el usuario se utilizan ampliamente como controles y pueden controlar una gran variedad de funciones en los equipos. Su uso generalizado en la electrónica de consumo disminuyó en la década de 1990, siendo ahora más comunes los codificadores rotativos incrementales , los pulsadores de subir/bajar y otros controles digitales. Sin embargo, siguen presentes en muchas aplicaciones, como el control de volumen y la función de sensor de posición.

Control de audio

Los potenciómetros de baja potencia, tanto deslizantes como rotativos, se utilizan para controlar equipos de audio, modificando el volumen, la atenuación de frecuencia y otras características de las señales de audio.

El potenciómetro logarítmico, que presenta una resistencia, una curva o una ley de forma logarítmica, se utiliza como control de volumen en amplificadores de potencia de audio . También se le conoce como potenciómetro de audio, ya que la respuesta de amplitud del oído humano es aproximadamente logarítmica. Esto garantiza que, en un control de volumen de 0 a 10, por ejemplo, un ajuste de 5 suene subjetivamente la mitad de fuerte que un ajuste de 10. Existe también un potenciómetro antilogarítmico o de audio inverso , que es simplemente el inverso de un potenciómetro logarítmico. Casi siempre se utiliza en configuración en paralelo con un potenciómetro logarítmico, por ejemplo, en un control de balance de audio.

Los potenciómetros utilizados en combinación con redes de filtros actúan como controles de tono o ecualizadores .

En los sistemas de audio, el término lineal se utiliza a veces de forma confusa para describir los potenciómetros deslizantes debido a la naturaleza rectilínea de su movimiento. Sin embargo, cuando se aplica a un potenciómetro, ya sea deslizante o rotativo, el término lineal describe una relación lineal entre la posición del potenciómetro y el valor medido en su terminal (o pin de salida eléctrica).

El potenciómetro puede utilizarse como divisor de voltaje para obtener un voltaje de salida ajustable manualmente en el cursor a partir de un voltaje de entrada fijo aplicado entre sus extremos. Este es su uso más común.

El voltaje a través de R _L se puede calcular mediante $${\displaystyle V_{\text{L}}={\frac {R_{2}R_{\text{L}}}{R_{1}R_{\text{L}}+R_{2}R_{\text{L}}+R_{1}R_{2}}}\cdot V_{\text{S}}.}$$

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. $${\displaystyle V_{\text{L}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\text{S}}}$$ (dividiendo en todo momento por R _L y cancelando los términos con R _L como denominador).

Como ejemplo, supongamos que${\displaystyle V_{\text{S}}=10~{\text{V}}}$,${\displaystyle R_{1}=1~{\text{k}}\Omega }$,${\displaystyle R_{2}=2~{\text{k}}\Omega }$, y${\displaystyle R_{\text{L}}=100~{\text{k}}\Omega .}$

Dado que la resistencia de carga es grande en comparación con las otras resistencias, el voltaje de salida V _L será aproximadamente $${\displaystyle {\frac {2~{\text{k}}\Omega }{1~{\text{k}}\Omega +2~{\text{k}}\Omega }}\cdot 10~{\text{V}}={\frac {2}{3}}\cdot 10~{\text{V}}\approx 6.667~{\text{V}}.}$$ Sin embargo, debido a la resistencia de carga, en realidad será ligeramente inferior, ≈ 6,623 V.

Una de las ventajas del divisor de tensión en comparación con una resistencia variable en serie con la fuente es que, mientras que las resistencias variables tienen una resistencia máxima donde siempre circulará algo de corriente , los divisores pueden variar la tensión de salida desde el máximo ( V _S ) hasta tierra (cero voltios) a medida que el cursor se mueve de un extremo del potenciómetro al otro. Sin embargo, siempre existe una pequeña cantidad de resistencia de contacto .

Además, a menudo se desconoce la resistencia de carga, por lo que simplemente colocar una resistencia variable en serie con la carga podría tener un efecto insignificante o un efecto excesivo, dependiendo de la carga.

El envejecimiento puede provocar un contacto intermitente entre la pista resistiva y el limpiaparabrisas al girar. En el control de volumen, esto produce crujidos. ^{[ 13 ]}

• Sensor potenciométrico
• Recortadora
• Potenciómetro motorizado

• Manual del potenciómetro ; 1.ª ed.; Carl Todd; McGraw-Hill; 300 páginas; 1975; ISBN 978-0070066908. (descargar)
• Precauciones con los potenciómetros (Problemas) ; Alpsalpine habla sobre algunos cuidados con los potenciómetros. (descargar)
• Potenciómetro sin contacto ; El AS5600 es un sensor de posición rotativo magnético fácil de programar con una salida analógica o PWM de 12 bits de alta resolución. Este sistema sin contacto mide el ángulo absoluto de un imán magnetizado diametralmente en el eje. El AS5600 está diseñado para aplicaciones de potenciómetro sin contacto; (AS5600)

• Guía para principiantes sobre potenciómetros. Archivada el 23/04/2019 en Wayback Machine.
• Imágenes de potenciómetros de medición. Archivadas el 4 de octubre de 2009 en Wayback Machine.
• Equipos de calibración eléctrica, incluidos diversos potenciómetros de medición.
• La vida secreta de los potenciómetros: cómo diseccionar y repararlos.
• Cómo hacer un reóstato. Archivado el 23 de enero de 2007 en Wayback Machine.
• Cálculos del potenciómetro como divisor de voltaje: con carga y en circuito abierto (sin carga).
• Cómo construir un potenciómetro con salidas familiares y características inusuales (AS5600: potenciómetro sin contacto)