Potenciômetro - Potentiometer

Potenciômetro
Potenciômetro de componente eletrônico.jpg
Um potenciômetro de uma volta típico
Modelo Passiva
Símbolo eletrônico
Símbolo do potenciômetro Europe.svg (Padrão IEC)
Potentiometer symbol.svg (Padrão ANSI)

Um potenciômetro é um resistor de três terminais com um contato deslizante ou giratório que forma um divisor de tensão ajustável . Se apenas dois terminais forem usados, uma extremidade e o limpador, ele atua como um resistor variável ou reostato .

O instrumento de medição chamado potenciômetro é essencialmente um divisor de tensão usado para medir o potencial elétrico (tensão); o componente é uma implementação do mesmo princípio, daí seu nome.

Os potenciômetros são comumente usados ​​para controlar dispositivos elétricos, como controles de volume em equipamentos de áudio. Os potenciômetros operados por um mecanismo podem ser usados ​​como transdutores de posição , por exemplo, em um joystick . Os potenciômetros raramente são usados ​​para controlar diretamente uma potência significativa (mais de um watt ), uma vez que a potência dissipada no potenciômetro seria comparável à potência na carga controlada.

Nomenclatura

Existem vários termos na indústria eletrônica usados ​​para descrever certos tipos de potenciômetros:

  • potenciômetro deslizante ou potenciômetro deslizante : um potenciômetro que é ajustado deslizando o limpador para a esquerda ou direita (ou para cima e para baixo, dependendo da instalação), geralmente com um dedo ou polegar
  • potenciômetro do polegar ou potenciômetro do botão giratório: um pequeno potenciômetro rotativo que deve ser ajustado raramente por meio de um pequeno botão giratório
  • trimpot ou potenciômetro trimmer : um potenciômetro trimmer normalmente destinado a ser ajustado uma vez ou raramente para "ajuste fino" de um sinal elétrico

Construção

Desenho em corte do potenciômetro mostrando as peças: ( A ) eixo, ( B ) elemento de resistência de composição de carbono estacionário, ( C ) limpador de bronze de fósforo, ( D ) eixo conectado ao limpador, ( E, G ) terminais conectados às extremidades do elemento de resistência, ( F ) terminal conectado ao limpador. Uma parada mecânica ( H ) impede a rotação além dos pontos finais.
Potenciômetro de volta única com invólucro de metal removido para expor os contatos do limpador e a faixa resistiva

Os potenciômetros consistem em um elemento resistivo , um contato deslizante (limpador) que se move ao longo do elemento, fazendo bom contato elétrico com uma parte dele, terminais elétricos em cada extremidade do elemento, um mecanismo que move o limpador de uma extremidade a outra , e um compartimento contendo o elemento e limpador.

Muitos potenciômetros baratos são construídos com um elemento resistivo (B em desenho em corte) formado em um arco de círculo geralmente um pouco menos do que uma volta completa e um limpador (C) deslizando neste elemento quando girado, fazendo contato elétrico. O elemento resistivo pode ser plano ou angular. Cada extremidade do elemento resistivo é conectada a um terminal (E, G) na caixa. O limpador é conectado a um terceiro terminal (F), geralmente entre os outros dois. Em potenciômetros de painel, o limpador geralmente é o terminal central de três. Para potenciômetros de uma volta, este limpador normalmente se desloca um pouco menos de uma revolução ao redor do contato. O único ponto de entrada de contaminação é o espaço estreito entre o eixo e o alojamento no qual ele gira.

Outro tipo é o potenciômetro deslizante linear, que possui um limpador que desliza ao longo de um elemento linear em vez de girar. A contaminação pode potencialmente entrar em qualquer lugar ao longo da abertura em que o controle deslizante se move, tornando a vedação eficaz mais difícil e comprometendo a confiabilidade a longo prazo. Uma vantagem do potenciômetro do controle deslizante é que a posição do controle deslizante fornece uma indicação visual de sua configuração. Enquanto a configuração de um potenciômetro rotativo pode ser vista pela posição de uma marca no botão, uma série de controles deslizantes pode dar uma impressão visual das configurações como em um equalizador gráfico ou faders em um console de mixagem .

O elemento resistivo de potenciômetros baratos geralmente é feito de grafite . Outros materiais usados ​​incluem fio de resistência, partículas de carbono em plástico e uma mistura de cerâmica / metal chamada cermet . Os potenciômetros de pista condutiva usam pastas de resistor de polímero condutor que contêm resinas e polímeros resistentes ao desgaste, solventes e lubrificantes, além do carbono que fornece as propriedades condutoras.

Potenciômetros aparadores de montagem em PCB , ou "trimpots", destinados a ajustes não frequentes
Símbolo eletrônico para potenciômetro pré-configurado

Os potenciômetros multivoltas também são operados girando um eixo, mas por várias voltas em vez de menos de uma volta completa. Alguns potenciômetros multivoltas têm um elemento resistivo linear com um contato deslizante movido por um parafuso de avanço; outros têm um elemento resistivo helicoidal e um limpador que gira em 10, 20 ou mais revoluções completas, movendo-se ao longo da hélice conforme ela gira. Potenciômetros multivoltas, acessíveis ao usuário e predefinidos, permitem ajustes mais precisos; a rotação através do mesmo ângulo altera a configuração em um décimo mais do que em um potenciômetro rotativo simples.

Um potenciômetro linear é um potenciômetro multivoltas operado por um carretel de fio conectado que gira contra uma mola, permitindo que ele converta a posição linear em uma resistência variável.

Os potenciômetros rotativos acessíveis ao usuário podem ser equipados com uma chave que opera normalmente no extremo anti-horário da rotação. Antes que a eletrônica digital se tornasse a norma, esse componente era usado para permitir que receptores de rádio e televisão e outros equipamentos fossem ligados no volume mínimo com um clique audível, então o volume aumentava, girando um botão. Vários elementos de resistência podem ser agrupados com seus contatos deslizantes no mesmo eixo, por exemplo, em amplificadores de áudio estéreo para controle de volume. Em outras aplicações, como dimmers de luz doméstica , o padrão de uso normal é melhor satisfeito se o potenciômetro permanecer definido em sua posição atual, de modo que o interruptor seja operado por uma ação de empurrar, alternadamente ligado e desligado, por pressões axiais do botão.

Outros estão incluídos no equipamento e devem ser ajustados para calibrar o equipamento durante a fabricação ou reparo e não devem ser tocados de outra forma. Eles geralmente são fisicamente muito menores do que os potenciômetros acessíveis ao usuário e podem precisar ser operados por uma chave de fenda em vez de ter um botão. Eles geralmente são chamados de "potenciômetros predefinidos" ou "potenciômetros de compensação". Alguns presets são acessíveis por uma pequena chave de fenda enfiada em um orifício na caixa para permitir manutenção sem desmontar.

Relação resistência-posição: "taper"

Potenciômetros em escala de 10k e 100k que combinam montagens tradicionais e eixos de botão com conjuntos elétricos mais novos e menores. O "B" designa uma conicidade linear (estilo EUA / Asiático).

A relação entre a posição do controle deslizante e a resistência, conhecida como "cone" ou "lei", é controlada pelo fabricante. Em princípio, qualquer relação é possível, mas para a maioria dos propósitos, os potenciômetros lineares ou logarítmicos (também conhecidos como "afinamento de áudio") são suficientes.

Um código de letra pode ser usado para identificar qual cone é usado, mas as definições do código de letra não são padronizadas. Os potenciômetros fabricados na Ásia e nos EUA são geralmente marcados com um "A" para o afilamento logarítmico ou um "B" para o afilamento linear; "C" para o afunilamento logarítmico reverso raramente visto. Outros, particularmente aqueles da Europa, podem ser marcados com um "A" para o afunilamento linear, um "C" ou "B" para o afilamento logarítmico ou um "F" para o afilamento logarítmico reverso. O código usado também varia entre os diferentes fabricantes. Quando uma porcentagem é referenciada com um cone não linear, ela se relaciona ao valor da resistência no ponto médio da rotação do eixo. Um afunilamento logarítmico de 10% mediria, portanto, 10% da resistência total no ponto médio da rotação; ou seja, o afunilamento logarítmico de 10% em um potenciômetro de 10 kOhm produziria 1 kOhm no ponto médio. Quanto maior a porcentagem, mais íngreme é a curva de log.

Potenciômetro cônico linear

Um potenciômetro cônico linear ( linear descreve a característica elétrica do dispositivo, não a geometria do elemento resistivo) tem um elemento resistivo de seção transversal constante, resultando em um dispositivo onde a resistência entre o contato (limpador) e um terminal final é proporcional à distância entre eles. Os potenciômetros lineares são usados ​​quando a taxa de divisão do potenciômetro deve ser proporcional ao ângulo de rotação do eixo (ou posição do controle deslizante), por exemplo, controles usados ​​para ajustar a centralização da tela em um osciloscópio de raios catódicos analógico . Os potenciômetros de precisão têm uma relação precisa entre a resistência e a posição do controle deslizante.

Potenciômetro de precisão do Helipot Beckman

Potenciômetro logarítmico

Um potenciômetro cônico logarítmico é um potenciômetro que possui uma polarização embutida no elemento resistivo. Basicamente, isso significa que a posição central do potenciômetro não é a metade do valor total do potenciômetro. O elemento resistivo é projetado para seguir um afilamento logarítmico, também conhecido como um expoente matemático ou perfil "quadrado". Um potenciômetro cônico logarítmico é construído com um elemento resistivo que "afunila" de uma extremidade à outra ou é feito de um material cuja resistividade varia de uma extremidade à outra. Isso resulta em um dispositivo onde a tensão de saída é uma função logarítmica da posição do controle deslizante.

A maioria dos potenciômetros "log" (mais baratos) não são precisamente logarítmicos, mas usam duas regiões de resistência diferente (mas resistividade constante) para aproximar uma lei logarítmica. As duas trilhas resistivas se sobrepõem em aproximadamente 50% da rotação do potenciômetro; isso dá uma redução gradual logarítmica. Um potenciômetro logarítmico também pode ser simulado (não com muita precisão) com um linear e um resistor externo. Os potenciômetros logarítmicos verdadeiros são significativamente mais caros.

Potenciômetros afilados logarítmicos são freqüentemente usados ​​para volume ou nível de sinal em sistemas de áudio, já que a percepção humana do volume de áudio é logarítmica, de acordo com a lei de Weber-Fechner .

Reostato

A maneira mais comum de variar a resistência em um circuito continuamente é usar um reostato . É basicamente usado para ajustar a magnitude da corrente em um circuito, alterando o comprimento. A palavra reostato foi cunhada por volta de 1845 por Sir Charles Wheatstone , do grego ῥέος rheos que significa "fluxo", e - στάτης - estados (de ἱστάναι histanai , "colocar, fazer parar") que significa "fixador, dispositivo regulador" que é um resistor variável de dois terminais. O termo "reostato" está se tornando obsoleto, com o termo geral "potenciômetro" substituindo-o. Para aplicações de baixa potência (menos de cerca de 1 watt), um potenciômetro de três terminais é freqüentemente usado, com um terminal desconectado ou conectado ao limpador.

Onde o reostato deve ser classificado para maior potência (mais de cerca de 1 watt), ele pode ser construído com um fio de resistência enrolado em um isolador semicircular, com o limpador deslizando de uma volta do fio para a próxima. Às vezes, um reostato é feito de fio de resistência enrolado em um cilindro resistente ao calor, com o controle deslizante feito de vários dedos de metal que se agarram levemente em uma pequena parte das voltas do fio de resistência. Os "dedos" podem ser movidos ao longo da bobina do fio de resistência por um botão deslizante, mudando assim o ponto de "toque". Reostatos enrolados por fio feitos com classificações de até vários milhares de watts são usados ​​em aplicações como motores DC, controles de soldagem elétrica ou nos controles de geradores. A classificação do reostato é fornecida com o valor total da resistência e a dissipação de potência permitida é proporcional à fração da resistência total do dispositivo no circuito. Reostatos de pilha de carbono são usados ​​como bancos de carga para testar baterias de automóveis e fontes de alimentação.

Potenciômetro digital

Um potenciômetro digital (freqüentemente chamado de digipot) é um componente eletrônico que imita as funções de potenciômetros analógicos. Por meio de sinais de entrada digital, a resistência entre dois terminais pode ser ajustada, da mesma forma que em um potenciômetro analógico. Existem dois tipos funcionais principais: voláteis, que perdem sua posição definida se a energia for removida e geralmente são projetados para inicializar na posição mínima, e não voláteis, que retêm sua posição definida usando um mecanismo de armazenamento semelhante à memória flash ou EEPROM .

O uso de um digipot é muito mais complexo do que o de um potenciômetro mecânico simples e há muitas limitações a serem observadas; no entanto, eles são amplamente utilizados, muitas vezes para ajuste de fábrica e calibração de equipamentos, especialmente onde as limitações dos potenciômetros mecânicos são problemáticas. Um digipot é geralmente imune aos efeitos de vibração mecânica moderada de longo prazo ou contaminação ambiental, na mesma medida que outros dispositivos semicondutores, e pode ser protegido eletronicamente contra adulteração não autorizada, protegendo o acesso às suas entradas de programação por vários meios.

Em equipamentos que possuem um microprocessador , FPGA ou outra lógica funcional que pode armazenar configurações e recarregá-las no "potenciômetro" toda vez que o equipamento é ligado, um DAC multiplicador pode ser usado no lugar de um digipot, e isso pode oferecer uma configuração mais alta resolução, menor variação com a temperatura e mais flexibilidade operacional.

Potenciômetros de membrana

Um potenciômetro de membrana usa uma membrana condutiva que é deformada por um elemento deslizante para entrar em contato com um divisor de tensão do resistor. A linearidade pode variar de 0,50% a 5%, dependendo do material, projeto e processo de fabricação. A precisão de repetição é normalmente entre 0,1 mm e 1,0 mm com uma resolução teoricamente infinita. A vida útil desses tipos de potenciômetros é normalmente de 1 milhão a 20 milhões de ciclos, dependendo dos materiais usados ​​durante a fabricação e do método de atuação; métodos de contato e sem contato (magnéticos) estão disponíveis (para detectar a posição). Muitas variações de materiais diferentes estão disponíveis, como PET , FR4 e Kapton. Os fabricantes de potenciômetros de membrana oferecem variações lineares, rotativas e específicas da aplicação. As versões lineares podem variar de 9 mm a 1000 mm de comprimento e as versões rotativas variam de 20 a 450 mm de diâmetro, com cada uma tendo uma altura de 0,5 mm. Potenciômetros de membrana podem ser usados ​​para detecção de posição.

Para dispositivos com tela de toque que usam tecnologia resistiva, um potenciômetro de membrana bidimensional fornece as coordenadas xey. A camada superior é um vidro fino espaçado próximo a uma camada interna vizinha. A parte inferior da camada superior possui um revestimento condutor transparente; a superfície da camada abaixo dela tem um revestimento resistivo transparente. Um dedo ou caneta deforma o vidro para entrar em contato com a camada subjacente. As bordas da camada resistiva têm contatos condutores. A localização do ponto de contato é feita aplicando-se uma tensão às bordas opostas, deixando as outras duas bordas temporariamente desconectadas. A voltagem da camada superior fornece uma coordenada. Desconectar essas duas arestas e aplicar voltagem às outras duas, anteriormente desconectadas, fornece a outra coordenada. Alternar rapidamente entre pares de arestas fornece atualizações de posição frequentes. Um conversor analógico-digital fornece dados de saída.

As vantagens de tais sensores são que apenas cinco conexões para o sensor são necessárias e a eletrônica associada é comparativamente simples. Outra é que qualquer material que comprima a camada superior sobre uma pequena área funciona bem. Uma desvantagem é que força suficiente deve ser aplicada para fazer o contato. Outra é que o sensor requer calibração ocasional para combinar a localização de toque com a tela subjacente. (Sensores capacitivos não requerem calibração ou força de contato, apenas a proximidade de um dedo ou outro objeto condutor. No entanto, eles são significativamente mais complexos.)

Formulários

Os potenciômetros raramente são usados ​​para controlar diretamente quantidades significativas de energia (mais de um watt ou mais). Em vez disso, eles são usados ​​para ajustar o nível de sinais analógicos (por exemplo, controles de volume de equipamentos de áudio ) e como entradas de controle para circuitos eletrônicos. Por exemplo, um dimmer de luz usa um potenciômetro para controlar a comutação de um TRIAC e, indiretamente, para controlar o brilho das lâmpadas.

Os potenciômetros predefinidos são amplamente usados ​​em toda a parte eletrônica, sempre que ajustes devem ser feitos durante a fabricação ou manutenção.

Os potenciômetros acionados pelo usuário são amplamente usados ​​como controles do usuário e podem controlar uma ampla variedade de funções do equipamento. O uso generalizado de potenciômetros em produtos eletrônicos de consumo diminuiu na década de 1990, com codificadores incrementais rotativos , botões para cima / para baixo e outros controles digitais agora mais comuns. No entanto, eles permanecem em muitas aplicações, como controles de volume e sensores de posição.

Controle de áudio

Potenciômetros deslizantes ( faders )

Potenciômetros de baixa potência, deslizantes e rotativos, são usados ​​para controlar o equipamento de áudio, alterando o volume, a atenuação de frequência e outras características dos sinais de áudio.

O 'log pot', ou seja, um potenciômetro tem uma resistência, afunilamento, ou, "curva" (ou lei) de uma forma logarítmica (log), é usado como o controle de volume em amplificadores de potência de áudio , onde também é chamado um "potenciômetro de redução de áudio", porque a resposta de amplitude do ouvido humano é aproximadamente logarítmica. Ele garante que, em um controle de volume marcado de 0 a 10, por exemplo, uma configuração de 5 soe subjetivamente com metade da intensidade de uma configuração de 10. Há também um potenciômetro anti-log ou taper de áudio reverso que é simplesmente o reverso de um logarítmico potenciômetro. Quase sempre é usado em uma configuração agrupada com um potenciômetro logarítmico, por exemplo, em um controle de equilíbrio de áudio.

Os potenciômetros usados ​​em combinação com redes de filtro atuam como controles de tom ou equalizadores .

Em sistemas de áudio, a palavra linear, às vezes é aplicada de forma confusa para descrever potenciômetros de slide por causa da natureza de linha reta do movimento de deslizamento físico. A palavra linear quando aplicada a um potenciômetro independentemente de ser um slide ou tipo rotativo, descreve uma relação linear da posição do potenciômetro versus o valor medido do pino do potenciômetro (limpador ou saída elétrica).

Televisão

Os potenciômetros eram usados ​​anteriormente para controlar o brilho, o contraste e a resposta da cor da imagem. Um potenciômetro era frequentemente usado para ajustar a "retenção vertical", que afetava a sincronização entre o circuito de varredura interno do receptor (às vezes um multivibrador ) e o sinal de imagem recebido, junto com outras coisas, como deslocamento da portadora de áudio e vídeo, frequência de sintonia (para push -conjuntos de botões) e assim por diante. Também ajuda na modulação da frequência das ondas.

Controle de movimento

Os potenciômetros podem ser usados ​​como dispositivos de realimentação de posição para criar controle de malha fechada , como em um servomecanismo . Este método de controle de movimento é o método mais simples de medir o ângulo ou deslocamento.

Transdutores

Os potenciômetros também são amplamente usados ​​como parte dos transdutores de deslocamento devido à simplicidade da construção e porque podem fornecer um grande sinal de saída.

Computação

Em computadores analógicos , potenciômetros de alta precisão são usados ​​para dimensionar resultados intermediários por fatores constantes desejados ou para definir as condições iniciais para um cálculo. Um potenciômetro motorizado pode ser usado como um gerador de função , usando um cartão de resistência não linear para fornecer aproximações para funções trigonométricas. Por exemplo, a rotação do eixo pode representar um ângulo e a taxa de divisão de tensão pode ser proporcional ao cosseno do ângulo.

Teoria de Operação

Um potenciômetro com uma carga resistiva, mostrando resistores fixos equivalentes para maior clareza.

O potenciômetro pode ser usado como um divisor de tensão para obter uma tensão de saída ajustável manualmente no controle deslizante (limpador) a partir de uma tensão de entrada fixa aplicada nas duas extremidades do potenciômetro. Este é o seu uso mais comum.

A tensão em R L pode ser calculada por:

Se R L for grande em comparação com as outras resistências (como a entrada para um amplificador operacional ), a tensão de saída pode ser aproximada pela equação mais simples:

(dividindo ao longo de R L e cancelando os termos com R L como denominador)

Como exemplo, suponha , , , e

Uma vez que a resistência de carga é grande em comparação com as outras resistências, a tensão de saída V L será aproximadamente:

Por causa da resistência de carga, no entanto, ele irá realmente ser ligeiramente inferior: ≈ 6,623 V .

Uma das vantagens do divisor de potencial em comparação com um resistor variável em série com a fonte é que, embora os resistores variáveis ​​tenham uma resistência máxima onde alguma corrente sempre fluirá, os divisores são capazes de variar a tensão de saída do máximo ( V S ) para terra (zero volts) conforme o limpador se move de uma extremidade do potenciômetro para a outra. No entanto, sempre existe uma pequena quantidade de resistência de contato .

Além disso, a resistência da carga frequentemente não é conhecida e, portanto, simplesmente colocar um resistor variável em série com a carga pode ter um efeito desprezível ou excessivo, dependendo da carga.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos