Che cosa sono i potenziometri?
I potenziometri o “pot”, come sono comunemente chiamati dagli ingegneri, sono essenzialmente resistori che incorporano un meccanismo di regolazione meccanica che consente di modificarne manualmente la resistenza. I resistori, come sappiamo, offrono un valore di resistenza fisso e bloccano o “resistono” al flusso di corrente elettrica in un circuito. Un potenziometro è fondamentalmente un resistore variabile.
I potenziometri funzionano come divisori di tensione che si possono usare sia per regolare l’uscita di tensione su un circuito, sia per misurare accuratamente (o valutare) il potenziale elettrico – da qui il nome “potenziometro”. Producono un segnale in uscita, a tensione sempre variabile, proporzionale alla posizione fisica della spazzola sull’elemento resistivo. Sono componenti passivi, il che significa che non hanno bisogno di un alimentatore o di circuiti aggiuntivi per funzionare.
Breve storia dei potenziometri
Con l’esplosione della ricerca e dello sviluppo sull’elettricità nei primi anni del 1800, il concetto di un componente che si potesse usare per controllare la quantità di elettricità che entrava in un dispositivo o circuito fu valutato da molte persone, ma il potenziometro come lo conosciamo non fu proposto fino al 1841. Infatti, ci sarebbe voluto fino al 1872 perché il primo potenziometro a carbone funzionante fosse inventato da Thomas Edison.
I potenziometri disponibili oggi sono significativamente più piccoli e più precisi rispetto ai dispositivi del passato e sono disponibili in una grande varietà di tipologie e package, a seconda dell’applicazione. Sono comunemente utilizzati in dispositivi e sistemi per controllare valori quali i livelli di luce, il volume e i segnali audio, la luminosità e il colore dei video. Possono anche funzionare come sensori di posizione.
Come funzionano i potenziometri?
Funzionamento interno generale di un potenziometro rotativo
Il livello di resistenza di un oggetto dipende da diversi fattori. A parità di tutto il resto, la resistenza di un elemento è direttamente proporzionale alla sua lunghezza. In altre parole, un oggetto dello stesso materiale e della medesima sezione trasversale, lungo 10 centimetri, avrà la metà della resistenza di un altro elemento lungo 20 centimetri. I potenziometri usano questo principio. L’uscita regolabile di un potenziometro si ottiene variando la posizione lineare o rotativa di un contatto a scorrimento attraverso un elemento dalla resistenza uniforme, allungando o accorciando il percorso che la corrente attraversa. La tensione in ingresso si distribuirà su tutta la lunghezza dell’elemento resistivo e la tensione in uscita sarà pari alla caduta che intercorre tra l’elemento resistivo fisso e il contatto scorrevole o rotante. La posizione del contatto mobile attraverso l’elemento resistivo determinerà la quantità di tensione in ingresso che passerà nel circuito.
I potenziometri si usano raramente per controllare più di un watt, poiché il dispositivo dovrebbe dissipare la potenza in ingresso e produrrebbe troppo calore. Funzionano invece regolando i segnali analogici utilizzati da altri componenti per controllare l’alimentazione. Ad esempio, un semplice regolatore di luminosità che utilizza un potenziometro per controllare un TRIAC può far variare il livello di intensità della luce.
Tipologie di potenziometri disponibili
I potenziometri sono disponibili in due forme principali: analogici e digitali. Un potenziometro analogico tradizionale utilizza elementi meccanici che si possono manipolare manualmente per controllarne l’uscita. I potenziometri analogici sono disponibili in formato lineare e rotativo:
Potenziometri lineari o rotativi?
I potenziometri rotativi utilizzano il movimento angolare di una manopola rotante e un albero collegato a una spazzola che scorre attraverso l’elemento resistivo. Ruotando l’albero varieranno la resistenza e l’uscita. I potenziometri possono anche non avere un albero, ma uno strumento esterno, come un giravite, che in genere prende il posto dell’albero per far spostare la spazzola. Questa tipologia è più comunemente chiamata “potenziometro trimmer” o semplicemente “trimmer”.
I potenziometri lineari sfruttano un movimento lineare (o in linea retta) tramite una slitta per fare contatto con l’elemento resistivo e variare resistenza e uscita.
I potenziometri digitali o elettronici sono controllati da segnali digitali che faranno variare l’uscita al posto dei sistemi a movimento meccanico. In questo articolo ci concentreremo sui potenziometri analogici.
Sottotipi di potenziometro aggiuntivi
Esistono vari sottotipi di potenziometri analogici, sia lineari che rotativi, che si adattano bene a varie applicazioni. I sottotipi sono:
- Preset e trimmer: si tratta di dispositivi di dimensioni limitate, solitamente montati su una scheda, regolati da un piccolo giravite e utilizzati per la messa a punto e la calibrazione di un circuito. I preset si basano su valori specifici, mentre i trimmer offrono un’alta risoluzione grazie alle viti multigiro. Si utilizzanno principalmente durante la calibrazione di un sistema e rimangono in posizione fissa per la maggior parte del tempo.
- A doppia banda: si tratta di due potenziometri combinati sullo stesso albero che consentono di impostare in parallelo due canali.
- Servo pot: si tratta di un potenziometro collegato ad un albero rotante (motore) in grado di rilevare la posizione misurando l’impulso applicato per far ruotare il motore fino a quando lo strumento non indicherà che la posizione corrisponde all’impulso in entrata. Spesso si usa in robotica o in applicazioni in cui è necessario un controllo di precisione del movimento.
- Logaritmico: questi elementi cambiano resistenza in modo logaritmico, quando si regola il potenziometro, seguendo da vicino la risposta sonora logaritmica dell’orecchio umano. Si usa come controllo del volume nelle apparecchiature audio.
- Concentrico: due potenziometri rotativi impilati insieme con i loro alberi sullo stesso asse che consentono di controllare il volume e il tono attraverso un unico foro di montaggio.
- Rotellina: utilizzano una rotella che ruota e grazie a un bordo tattile si può regolare il dispositivo usando la punta delle dita. Tipicamente utilizzato per controllare volume e luminosità.
- A scorrimento e a doppio scorrimento: sfruttano un elemento resistivo e un contatto a scorrimento per regolare la resistenza tramite movimento lineare. In questo modo si instaura una relazione lineare tra la posizione del cursore e la resistenza in uscita, il che significa che questo tipo di elemento si può usare anche come sensore resistivo di posizione (o a spostamento lineare). I potenziometri a doppio scorrimento sono dotati di un singolo cursore che controlla due strumenti in parallelo. I potenziometri a scorrimento si usano spesso nei mixer da studio, nei fader o negli equalizzatori grafici.
- A slitta motorizzata: sfrutta un potenziometro a scorrimento con cinghia di distribuzione azionata da un piccolo motore a corrente continua e puleggia di distribuzione per consentire il controllo remoto automatico. Si usa comunemente nelle applicazioni di automazione industriale e nel controllo dei processi.
- A singolo e multigiro: i potenziometri a giro singolo possono eseguire una sola rotazione, che copre circa ¾ di un giro completo della manopola di controllo, per fornire un’adeguata gestione del controllo di un’applicazione. I potenziometri multigiro dispongono di più rotazioni della manopola di controllo per una maggiore precisione dove è richiesta un’alta risoluzione.
Qual è la differenza tra potenziometri e reostati?
La spiegazione più semplice della differenza tra questi due dispositivi è che un potenziometro è un elemento a tre terminali usato per controllare la tensione. Un reostato è un dispositivo a due terminali che si usa per controllare la corrente. Tuttavia, semplicemente lasciando scollegata una delle connessioni di un potenziometro, lo si potrà usare come reostato.
Potenziometro o reostato?
I reostati sono generalmente dei resistori variabili ad alta potenza avvolti da un filo, che si usano in applicazioni ad alta corrente per controllarne il flusso verso dispositivi, come lampade e motori. Contengono bobine di filo per impieghi ad alta intensità, che cambiano resistenza a passi incrementali, modificando la posizione dell’elemento a scorrimento sul dispositivo resistivo. I reostati si differenziano non per il valore resistivo, ma per la capacità di gestire grandi livelli di potenza.
Potenziometri e codificatori rotativi sono la stessa cosa?
Un codificatore rotativo è un dispositivo elettromeccanico che converte la posizione angolare o il movimento di un albero in un segnale digitale. Sia i potenziometri che i codificatori rotativi rilevano la rotazione di un albero, ma funzionano utilizzando principi diversi, con differenti livelli di complessità e attraverso varie configurazioni.
I potenziometri sono fondamentalmente dispositivi analogici, sebbene ne esistano delle varianti digitali. I codificatori rotativi sono dispositivi digitali che sfruttano la logica binaria per indicare la posizione, quindi è necessario un circuito separato per tradurne l’uscita in un segnale utilizzabile.
I potenziometri dispongono di una configurazione più semplice rispetto ai codificatori rotativi, in modo da avere ingressi infinitamente variabili e da poter dividere la tensione in modo non lineare: per questo possono controllare facilmente altri dispositivi analogici. I codificatori rotativi, d’altra parte, possono ruotare in modo continuo, inviare segnali digitali e offrire un’eccellente risoluzione, sebbene tendano ad essere più costosi dei potenziometri: la precisione nel controllo del motore li rende ideali a modo loro per l’industria, l’automazione e la robotica.
Una parola sulla capacità di regolazione dei potenziometri
La capacità di regolazione dei potenziometri è il modo in cui la resistenza varia mentre l’armatura del dispositivo ruota o la sua spazzola scorre sull’elemento resistivo. Alcuni tipi di potenziometro si basano su una relazione lineare, il che significa che quando l’armatura o la slitta è in posizione centrale, la resistenza variabile è la metà del valore a fondo scala del potenziometro.
Altri tipi dispongono di una regolazione logaritmica non lineare (detta anche audio taper) che imita più da vicino la risposta sonora logaritmica dell’orecchio umano. Ciò dà l’impressione di una regolazione del volume più bilanciata attraverso l’intera rotazione o slitta di un controllo del volume audio. Sono disponibili anche potenziometri logaritmici inversi, che offrono un design operativo invertito. Si utilizzano, ad esempio, nei controlli audio che funzionano in senso antiorario.
Valori nominali di resistenza del potenziometro
I potenziometri sono in genere classificati e specificati in base al loro valore di resistenza complessivo. Detto valore di resistenza si riferisce all’intero elemento resistivo, da un terminale all’altro. Pertanto, un potenziometro valutato a 1 kΩ (kilohm) ha una resistenza attraverso la sua traccia pari a un resistore fisso da 1 kΩ.
Altri parametri da considerare quando si acquista un potenziometro sono:
- la potenza nominale: la potenza massima che il dispositivo può gestire senza danni,
- la risoluzione: la precisione del potenziometro, espressa come percentuale della resistenza totale e della variazione della resistenza ad ogni movimento incrementale del contatto sull’elemento resistivo,
- il rumore di scorrimento: quantità di rumore elettronico prodotto dal movimento delle parti interne di contatto,
- il coefficiente di temperatura: come la resistenza osservata può cambiare in funzione della temperatura di esercizio del dispositivo,
- la vita meccanica: per quanto tempo il dispositivo funzionerà secondo le specifiche, solitamente espresse come numero di cicli.
Simboli e marcature
I simboli che rappresentano un potenziometro nel progetto di un circuito sono diversi. Nello standard ANSI (americano) è costituito da due linee rette con dei tratti a zigzag nel mezzo. Nello standard IEC (europeo) è un rettangolo tra due linee rette.
Simboli ANSI (in alto a sinistra) e IEC (in alto a destra) con varianti non standard (in basso)
I singoli dispositivi sono solitamente contrassegnati sul dispositivo con un valore di resistenza esatto, come 1K per un potenziometro da 100 kΩ. Possono anche essere marcati con un codice a tre cifre, di cui le prime due rappresentano il valore del dispositivo e l’ultima il moltiplicatore. I potenziometri prodotti negli Stati Uniti e in Asia sono solitamente contrassegnati con una “A” per la regolazione logaritmica, una “B” per la variante lineare o una “C” per i dispositivi logaritmici inversi.
Pro e contro dei potenziometri
Come qualsiasi altro dispositivo elettronico, i potenziometri hanno vantaggi e svantaggi quando si usano in un’applicazione: questi fattori vanno ben valutati prima di giungere alle specifiche finali. I vantaggi dei potenziometri includono un design semplice, il basso costo, un’ampia gamma di valori di resistenza disponibile, la facilità di funzionamento, l’efficienza e l’uso di una tecnologia collaudata. Alcuni degli svantaggi connessi includono l’ampiezza di banda ridotta, la limitatezza della capacità di gestione della corrente, il funzionamento meccanico soggetto a usura e contaminazione e la potenziale generazione di rumore elettrico.
Alcune domande da porsi prima di definire le specifiche
Le domande fondamentali a cui è bene rispondere sono:
- Quali sono le specifiche del dispositivo richieste (valore e intervallo di resistenza, capacità di potenza, ecc.)?
- Il mio progetto richiede elementi rotanti o a scorrimento?
- Ho bisogno di una regolazione lineare o logaritmica?
- Per quanto tempo il dispositivo deve funzionare secondo le specifiche?
- Il dispositivo verrà utilizzato in ambienti complessi?
- Che tipo di footprint è richiesta?
- Come verrà montato il dispositivo?
Applicazioni comuni
Come detto in precedenza, i potenziometri sono comunemente usati per controllare i valori in dispositivi o sistemi audio e video, inclusi volume, luminosità, contrasto e colore. Si possono anche usare per misurare la tensione nelle apparecchiature di test e per il rilevamento della posizione nei sistemi di controllo e automazione dei processi. La loro flessibilità e persino l’opportunità di utilizzare potenziometri come reostati ha permesso ai potenziometri di passare da queste applicazioni più comuni a integrarsi in quasi tutti gli usi analogici e in molti dispositivi digitali. Ogni volta che c’è l’opportunità di controllare attivamente un circuito o ricevere feedback dallo stesso, si può valutare l’uso di un potenziometro.
Riepilogo
I potenziometri sono dispositivi relativamente semplici, che sfruttano una tecnologia collaudata per fornire la necessaria funzione di controllo o misurazione della tensione in molti tipi di dispositivi o sistemi elettronici o elettrici. Possono anche gestire il rilevamento e la misurazione del movimento lineare o rotatorio con precisione. La disponibilità in un’ampia serie di package, valutazioni, dimensioni e design garantisce che si possano abbinare a una vasta gamma di applicazioni diverse. CUI Devices offre una gamma di potenziometri in opzioni rotative o trimmer con un’ampia gamma di valori nominali di resistenza.