10-1 POTENCIÓMETROS
El
potenciómetro es el transductor eléctrico más común. Los potenciómetros
pueden ser usados solos, o pueden conectarse a un sensor mecánico para
convertir un movimiento mecánico en una variación eléctrica. Un potenciómetro,
en teoría, es bastante sencillo. Consiste en un elemento resistivo y un
contacto móvil que puede posicionarse en cualquier lugar a lo largo del
elemento. Este contacto móvil es llamado de varias maneras, incluyendo derivación,
cursor y deslizador. Usaremos estos tres términos indistintamente.
En la figura 10-1 se muestran dos representaciones
esquemáticas de un potenciómetro. En la figura 10—1(a),
el elemento resistivo está dibujado de manera circular. Esta representación
sugiere la construcción física de la mayoría de los potenciómetros, en los que
el elemento resistivo en realidad es circular y abarca un ángulo de unos 300.
La posición del cursor se ajusta entonces girando el eje al que está sujeto el
cursor. El eje puede girarse a mano o por medio de un destornillador,
dependiendo de si tiene en su extremo una perilla o una ranura para
destornillador.
10-1 -1
Linealidad de los potenciómetros
La
gran mayoría de los potenciómetros son lineales. El término lineal
significa que un movimiento mecánico dado del cursor produce un cambio dado en
la resistencia, sin importar la posición del cursor en la extensión del
elemento. En otras palabras, la resistencia del elemento está distribuida de
manera igual por la longitud del elemento. El grado preciso de linealidad de un
potenciómetro es muy importante en algunas aplicaciones. Los fabricantes por
tanto especifican un porcentaje de linealidad en los potenciómetros que
fabrican.
En la figura 10—2(a) se muestra una gráfica de
resistencia contra ángulo del eje para un potenciómetro perfectamente lineal.
Puede pensarse en la resistencia graficada en el eje vertical como la
resistencia entre
Por supuesto, es imposible fabricar potenciómetros con una linealidad perfecta.
El estado verdadero del asunto se muestra en la figura 10—2(b),
en la que la resistencia se desvía de la línea recta ideal. El punto de peor
desviación de la línea recta ideal determina el porcentaje de linealidad del
potenciómetro. Por ejemplo, en la gráfica de la figura 10—2(b),
en su peor punto, la resistencia real se desvía de la línea recta ideal en l0. Esto
significa que la resistencia real difiere de la resistencia esperada por una
cantidad que es el 10% de la resistencia total. La linealidad de este
potenciómetro, por tanto, es de 10%.
Al especificar un fabricante una linealidad de 10% para un potenciómetro, se
garantiza que la resistencia se desviará de la resistencia de línea recta en no
más de 10% de la resistencia total. Por tanto, un potenciómetro de 500 ohms con
una linealidad de 10% tendrá una gráfica de resistencia contra ángulo del eje en la que la
resistencia real se desvía de la línea recta ideal en no más de 50 ohms
Mientras una linealidad de l0 % podria ser la adecuada para muchas
aplicaciones industriales de potenciómetro, con casi completa seguridad no
sería adecuada para una aplicación de medición. Generalmente, los
potenciómetros usados como transductores tienen linealidades de menos de 1 %, y
a veces tan bajas como 0.1%. Para un potenciómetro de 500 ohms con una
linealidad de 0.1%, la resistencia real se desviará de la resistencia de línea
recta esperada en no más de 0.5 ohms.
10-1-2
Resolución de los potenciómetros
Muchos
potenciómetros son de la variedad bobinada. En un potenciómetro
bobinado, una pieza de alambre delgado está enrollada muchas veces alrededor de
un núcleo aislante. El cursor entonces se mueve de una vuelta de alambre a la
siguientem, a medida que se ajusta el potenciómetro.
El resultado es que la resistencia del cursor no
varía de una manera perfectamente lineal, sino que varía a pasos. Este fenómeno
se muestra, de manera muy exagerada, en la figura 10—2(c).
El punto importante es que hay un límite al cambio mínimo de resistencia
posible. El cambio mínimo en resistencia posible es igual a la resistencia de
una vuelta del alambre. Por ejemplo, un potenciómetro bobinado de 500 ohms que
tenga 200 vueltas tendrá uina resistencia por vuelta de 500 /200 — 2.5ohms. El ajuste mínimo posible
del potenciómetro moverá el cursor de una vuelta
a la vuelta siguiente, por lo que el cambio mínimo de resistencia posible será
de 2.5 ohms. Este cambio mínimo posible de la resistencia determina la resolución
del potenciómetro.
Puede considerarse la resolución de un potenciómetro como la variación de
resistencia mínima posible, expresada como un porcentaje de la resistencia
total. Para el potenciómetro descrito en el párrafo anterior, la resolución
será de 2.5 /500=0.5%.
Como regla general, los potenciómetros que tienen una buena resolución
inherente tienen una mala linealidad. y viceversa. Por supuesto, tomando
grandes cuidados en el proceso de manufactura, es posible hacer potenciómetros
que tengan tanto buena resolución como buena linealidad. Los potenciómetros
usados para propósitos de medición generalmente son de este tipo. Tienen buena
resolución, buena linealidad y buenas características ambientales (la
temperatura y la humedad no los afectan). Son algo caros, costando hasta 20
veces más de lo que costaría un potenciómetro de control sencillo.
Con frecuencia, se instala un potenciómetro en un circuito con un voltaje
aplicado entre sus terminales finales,. La rotación del eje causa entonces una
variación de voltaje entre las terminales, en lugar de solamente una
variación de resistencia entre las terminales. Si la posición del eje
representa el valor de una ‘variable medida, el potenciómetro establece una
correspondencia entre la variable medida y Vsalida
Otra
conexión común de los potenciómetros se muestra en la figura 10—3(b).
Los resistores R1 y R2, son iguales. y el aparato de medición está
dispuesto para que el cursor del potenciómetro esté centrado exactamente para
un valor neutro o de referencia de la variable medida. Este es un circuito en
puente. Si el puente es excitado por una fuente de voltaje de cd, la magnitud
de Vsalida corresponde a la cantidad
en la que difiere la variable medida de su valor de referencia, y la
polaridad de Vsalida corresponde
a la dirección de la diferencia, mayor o menor que el valor de referencia. Si
el puente es excitado por una fuente de ca, la magnitud de Vsalida corresponde
a la cantidad de desviación del valor de referencia, polaridad de Vsalida
corresponde a la dirección de la devsiación. Si el valor medido es mayor
que el valor de referencia, el cursor del potenciómetro se mueve hacia arriba,
según se aprecia en la figura 10—3(b). Entonces Vsalida
estará en fase con la fuente de ca. Si el valor medido es menor que el
valor de referencia, el cursor del potenciómetro se mueve hacia abajo en
la figura 1 0—3(b) y Vsalida estará 180 fuera de fase con la fuente de
ca.
Otro arreglo común de un potenciómetro en un circuito puente es el mostrado en
la figura 10—3(c). Recuerde que el concepto básico de
los circuitos puente es que el puente estará balanceado cuando la razón de
resistencias a la izquierda sea igual a la razón de resistencias a la derecha.
En otras palabras. Vid =O si
R1/R2=R3/R4
Un puente de este tipo puede usarse en cualquiera de estas dos maneras:
1. La variable medida puede usarse para posicionar el eje del potenciómetro, y
en tal caso el voltaje de salida ( Vsalida) del puente
representa el valor de la variable medida.
2. La variable medida puede usarse para hacer que uno de los resistores,
digamos R4. varíe. R4 puede ser un potenciómetro, o puede ser un
resistor que varíe en respuesta a un estímulo, como temperatura. R3 entonces
se ajusta de manera manual o automática hasta que Vsalida sea igual a cero, significando que el
puente está balanceado. La posición del eje del potenciómetro R3, representa
entonces el valor de la variable. El eje puede conectarse a algún dispositivo
indicador para leer el valor de la variable medida.