Guía completa de potenciómetros

Los potenciómetros, a menudo denominados "potes", son componentes fundamentales en el ámbito de la ingeniería eléctrica. Estos versátiles dispositivos desempeñan un papel fundamental en el control y la medición de señales eléctricas, proporcionando una interfaz dinámica entre los circuitos y el mundo físico con el que interactúan. Desde los sistemas de audio hasta la robótica, los potenciómetros encuentran su utilidad en multitud de aplicaciones, lo que los convierte en un activo indispensable en este campo.

En este artículo analizaremos los potenciómetros, empezando por sus principios fundamentales, su construcción y su funcionamiento interno. A continuación, se analizarán los distintos tipos de potenciómetros disponibles, las diferencias entre potenciómetros, reóstatos y codificadores, y las principales consideraciones y especificaciones de diseño.

Conceptos básicos sobre potenciómetros

Los potenciómetros son componentes basados en resistencias con un mecanismo de ajuste mecánico que permite modificar manualmente su resistencia. A diferencia de las resistencias fijas, que mantienen un valor de resistencia constante, los potenciómetros actúan como resistencias variables.

Estos dispositivos funcionan como divisores de tensión, cumpliendo la doble función de ajustar la salida de tensión dentro de un circuito y medir con precisión el potencial eléctrico, de ahí su denominación de potenciómetros. Ajustando la posición del rascador a lo largo del elemento resistivo, los potenciómetros generan una señal de salida de voltaje continuamente variable. Es importante señalar que los potenciómetros son componentes pasivos, lo que significa que no necesitan una fuente de alimentación ni circuitos adicionales para funcionar.

Figura 1: Funcionamiento interno típico de un potenciómetro giratorio. (Fuente de la imagen: Same Sky)

La resistencia de un objeto depende de varios factores, y uno clave es su longitud. Cuando todos los demás parámetros permanecen constantes, la resistencia de un objeto es directamente proporcional a su longitud. Esto significa que un objeto fabricado con el mismo material y con la misma área de sección transversal, pero que mide 20 centímetros de longitud, mostrará la mitad de resistencia que un objeto que mida 40 centímetros de longitud. Los potenciómetros aprovechan este principio para conseguir una potencia regulable.

La salida ajustable de un potenciómetro se consigue alterando la posición lineal o giratoria de un contacto deslizante a lo largo de un elemento de resistencia uniforme, modificando así la trayectoria por la que fluye la corriente. La tensión de entrada se aplica en toda la longitud del elemento resistivo, mientras que la tensión de salida se obtiene como la caída de potencial entre el elemento resistivo fijo y el contacto deslizante o giratorio. La posición del contacto móvil a lo largo del elemento resistivo determina en qué medida se aplica el voltaje de entrada al circuito.

Cabe señalar que los potenciómetros no suelen emplearse para controlar directamente potencias superiores a un vatio. Esta limitación se debe a que el propio dispositivo tiene que disipar la potencia de entrada, lo que genera un calor excesivo. En cambio, los potenciómetros se utilizan para ajustar las señales analógicas utilizadas por otros componentes con el fin de regular la potencia. A modo de ejemplo, un atenuador de luz básico utiliza un potenciómetro para controlar un TRIAC (triodo para corriente alterna), que a su vez varía el brillo de la luz.

Tipos de potenciómetros

Hay dos tipos principales de potenciómetros: analógicos y digitales. Este artículo se centra principalmente en los potenciómetros analógicos que se basan en elementos mecánicos para la manipulación y el control de la salida. Los potenciómetros analógicos se clasifican a su vez en lineales y giratorios.

Los potenciómetros giratorios utilizan un movimiento angular facilitado por una perilla giratoria y un eje que se conectan a un elemento wiper. Este elemento rascador se desliza a lo largo del elemento resistivo, permitiendo cambios en la resistencia y los consiguientes ajustes en la salida. Girando el eje, la resistencia y la potencia pueden variar en consecuencia. Además, existen potenciómetros sin eje en los que el rascador se mueve utilizando una herramienta externa, como un destornillador, lo que elimina la necesidad de un eje físico. Se denominan comúnmente potenciómetros de ajuste o trimmers.

Por otro lado, los potenciómetros lineales emplean un movimiento lineal o rectilíneo mediante un mecanismo de deslizamiento para establecer contacto con el elemento resistivo. Este movimiento lineal permite variar la resistencia y ajustar posteriormente la potencia.

Figura 2: Comparación de potenciómetros lineales y giratorios. (Fuente de la imagen: Same Sky)

A diferencia de los potenciómetros analógicos, los digitales o electrónicos se basan en señales digitales para controlar la salida, eliminando la necesidad de movimiento mecánico.

Potenciómetros frente a reóstatos y codificadores

En esencia, la principal diferencia entre un potenciómetro y un reóstato radica en sus aplicaciones previstas y en la configuración de sus terminales. Un potenciómetro es un dispositivo de tres terminales utilizado principalmente para el control de voltaje, mientras que un reóstato es un dispositivo de dos terminales diseñado para el control de intensidad. No obstante, cabe señalar que los potenciómetros pueden utilizarse como reóstatos dejando un terminal sin conectar.

En cambio, los reóstatos están diseñados específicamente para regular el flujo de corriente dentro de un circuito. Suelen tener dos terminales y se caracterizan por su gran potencia y su construcción con hilo bobinado. Los reóstatos se utilizan habitualmente en aplicaciones de alta corriente para controlar el flujo de corriente a dispositivos como lámparas y motores. Incorporan bobinas de hilo de alta resistencia que permiten cambios incrementales de resistencia ajustando la posición del elemento deslizante a lo largo del elemento resistivo. A diferencia de los potenciómetros, los reóstatos se especifican en función de su capacidad de gestión de potencia y no de su valor resistivo.

Figura 3: Esquemas de circuitos de potenciómetros y reóstatos. (Fuente de la imagen: Same Sky)

En cuanto a los codificadores rotatorios y los potenciómetros, ambos detectan la rotación de un eje, pero funcionan con principios diferentes, tienen distintos niveles de complejidad y requieren configuraciones distintas. A continuación, se profundiza en las diferencias entre estos dos dispositivos:

1. Principio de funcionamiento:
   • Potenciómetros: Los potenciómetros son principalmente dispositivos analógicos, aunque existen variantes digitales. Se basan en el cambio de resistencia cuando el eje gira para indicar la posición o ajustar los niveles de voltaje.
   • Codificadores rotatorios: Los codificadores rotatorios son dispositivos digitales que utilizan la lógica binaria para codificar y transmitir la posición angular o el movimiento de un eje como señal digital. Suelen emplear técnicas de detección capacitivas, ópticas o magnéticas.
2. Complejidad del montaje:
   • Potenciómetros: Los potenciómetros suelen ofrecer procesos de configuración y conexión más sencillos. Pueden integrarse fácilmente en circuitos sin necesidad de un complejo acondicionamiento de señales.
   • Codificadores rotatorios: Los codificadores rotatorios, al ser dispositivos digitales, requieren circuitos adicionales, como acondicionamiento de señales, decodificación y componentes de interconexión, para procesar e interpretar la señal de salida digital.
3. Rango de entrada y resolución:
   • Potenciómetros: Los potenciómetros permiten una entrada infinitamente variable debido a su naturaleza analógica. Proporcionan una gama suave y continua de valores, lo que permite un control preciso. También pueden dividir el voltaje de forma no lineal, ofreciendo curvas de respuesta personalizadas.
   • Codificadores rotatorios: Los codificadores rotatorios pueden girar continuamente, proporcionando retroalimentación con una excelente resolución. Ofrecen información precisa sobre la posición o el movimiento en formato digital, lo que permite un control y retroalimentación de alta resolución. Resultan especialmente ventajosos en aplicaciones que requieren un control motor preciso o exactitud posicional.
4. Consideraciones sobre las aplicaciones:
   • Potenciómetros: Los potenciómetros se utilizan habitualmente en aplicaciones que requieren un control analógico, como el ajuste de volumen en sistemas de audio o el ajuste fino en procesos de calibración.
   • Encóderes rotatorios: Los encóderes rotativos se utilizan en aplicaciones industriales, de automatización y robótica en las que es fundamental disponer de información digital precisa, alta resolución y detección exacta de la posición. Destacan en sistemas de control de motores y aplicaciones que exigen mediciones angulares precisas.

Conicidad de los potenciómetros

La conicidad de un potenciómetro se refiere a cómo cambia la resistencia a medida que la armadura del dispositivo gira o el rascador se desliza a lo largo del elemento resistivo. Hay dos tipos principales de conicidades de potenciómetro: lineal y logarítmica (también conocida como conicidad de audio).

En los potenciómetros con cono lineal, la relación entre la posición de la armadura y la resistencia es lineal. Esto significa que cuando la armadura o la corredera están en su posición media, la resistencia variable es la mitad de la resistencia a fondo de escala del potenciómetro. Los potenciómetros cónicos lineales ofrecen un cambio uniforme de la resistencia en todo su rango de movimiento.

Los potenciómetros de conicidad logarítmica proporcionan una respuesta no lineal que imita la sensibilidad logarítmica del oído humano al sonido. Esta conicidad se utiliza habitualmente en equipos de audio, como controles de volumen, para lograr una percepción más equilibrada del ajuste de volumen. Con un cono logarítmico, los pequeños cambios en las primeras etapas de rotación producen cambios más significativos en el volumen, mientras que los cambios más grandes en las últimas etapas de rotación producen ajustes de volumen más pequeños. Además, existen potenciómetros logarítmicos inversos, utilizados principalmente en controles de audio que funcionan en sentido antihorario.

Otras especificaciones importantes

Estos son otros parámetros clave que debe tener en cuenta a la hora de elegir un potenciómetro:

• Resistencia: representa la resistencia en toda la longitud del elemento resistivo, de un terminal al otro. Por ejemplo, si un potenciómetro tiene un valor nominal de 2 kΩ (kilohmios), significa que la resistencia a través de su pista equivale a una resistencia/resistor fijo con un valor de 2 kΩ.
• Potencia nominal: la potencia de salida máxima indica la cantidad de potencia que puede soportar un potenciómetro para evitar sobrecalentamientos o fallos.
• Resolución: se refiere a la precisión del potenciómetro en términos de sus cambios incrementales de resistencia. Suele expresarse como porcentaje de la resistencia total y representa el menor cambio detectable en la resistencia por movimiento incremental del rascador sobre el elemento resistivo.
• Ruido de deslizamiento: el ruido electrónico generado durante el movimiento de las piezas de contacto internas del potenciómetro. Este ruido puede interferir en la precisión de la señal deseada o introducir artefactos no deseados.
• Coeficiente de temperatura: indica cómo puede cambiar la resistencia del potenciómetro con las variaciones de la temperatura de funcionamiento. Los potenciómetros con coeficientes de temperatura más bajos ofrecen valores de resistencia más estables en un amplio rango de temperaturas, lo que garantiza un rendimiento constante en diferentes condiciones térmicas.
• Vida mecánica: la vida útil prevista del potenciómetro en términos del número de ciclos que puede soportar manteniendo sus especificaciones de rendimiento.

Conclusión:

Los potenciómetros ofrecen toda una serie de ventajas, como su diseño sencillo, su asequibilidad, su amplia gama de resistencias, su fácil manejo y su tecnología probada. Sirven como dispositivos fiables para el control del voltaje, la medición y la detección precisa del movimiento lineal o giratorio en sistemas electrónicos y eléctricos. Sin embargo, es importante tener en cuenta sus limitaciones, como el ancho de banda limitado, la capacidad de manejo de corriente, el desgaste mecánico y la posible generación de ruido eléctrico.

Dicho esto, su uso generalizado se debe a su fiabilidad y a su capacidad para satisfacer diversas necesidades. Same Sky ofrece una amplia selección de potenciómetros giratorios y potenciómetros de ajuste para satisfacer las necesidades específicas de los distintos proyectos.