XiuaElectronics: [Robótica y Automatización Industrial].: potenciómetro

miércoles, 17 de octubre de 2018

XiuaElectronics: Sensor potenciométrico

Buenos días estimados lectores.

En el día de hoy vamos a ver todo lo relacionado con los sensores potenciométricos. Esta entrada corresponde a todo el tema de sensores y transductores que se ha venido trabajando en el blog; además que se complementará al final con algo de práctica para ver la aplicación teórica del tema. No siendo más continuemos.

Figura 1: sensor potenciométrico.

Sensor potenciométrico

Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Éste se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotacionales como es muy comúnmente conocido; dicho desplazamiento se convierte en una diferencia de poténcial. El potenciómetro rotacional está formado por una pista o canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor; sobre la pista rota un contacto deslizante giratorio (figura 1), y esta puede ser solo una figura helicoidal o una circunferencia. Con un voltaje de entrada constante que por lo general se sitúan en los pines extremos para el caso del potenciómetro angular y un pin medio como salida. La salida de este potenciómetro depende netamente de la relación de resistencias internas que posee este como se puede apreciar en la figura 2.

Figura 2: Representación interna de resistencias en un potenciómetro

Para entender mejor la relación que hay entre la resistencia interna que posee el potenciómetro, lo que debemos tener en cuenta es que la resistencia que hay entre las terminales 2 y 3 será una fracción del voltaje de entrada en los terminales 1 y 3; y el voltaje de salida por estas terminales o pines, que serán a su vez una fracción del voltaje de entrada, la fracción dependen fundamentalmente de la relación Vo/Vs= (R23)/(R13). Si la resistencia de la pista por unidades de longitud (por ángulo unitario) es constante, entonces la salida es proporcional al ángulo del cual gira el deslizador. En este caso un desplazamiento angular se puede convertir en una diferencia de potencial.

Figura 3: Potenciómetro giratorio

En una pista de devanado de alambre, al pasar da una vuelta a la otra, la parte deslizante cambia la salida de voltaje en pasos, cada uno de los cuales corresponde al avance de una vuelta. Si el potenciómetro tiene N vueltas, la resolución expresada en porcentaje es de 100/N. Por lo tant, la resolución de una pista de alambre está limitada por el diámetro del alambre utilizado y su valor suele variar entre 1.5mm en pistas con devanado burdo, y hasta 0.5mm para pistas con devanado fino. Los errores generados pro la no linealidad, cosa que ya hablamos en entradas anteriores varían más o menos entre el 0.1% hasta casi el 1%. La resistencia de la pista varía entre 20 ohmnios a 200 KiloOhmnios. El plástico conductor idealmente tiene una resolución infinita, y los errores por la no linealidad de la pista son del orden de 0.05%, y los valores de resistencia entre 500 ohmnios y 80 kiloOhmnios. El coeficiente por temperatura de la resistencia del plástico conductor es mayor que el del alambre. por lo que los cambios de temperatura tienen mayor influencia en la exactitud. Un efecto que debe tomarse en cuenta en el potenciómetro, es el de la carga que se conecta en la salida, RL. La diferencia de potencial a través de la carga que la llamaremos VL, que esta a su vez se conectará entre R1 y R2 y GND es directamente proporcional a V0, es decir, al voltaje de salida; esto solo si la resistencia de carga es infinita. Para cargas finitas, el efecto de la carga es transformar una relación lineal entre voltaje de salida y ángulo en una relación no lineal. La resistencia RL que representará la resistencia de carga estará en paralelo con la fracción x de la resistencia Rp del potenciómetro. Esta resistencia combinada vale R1xRp/(R1 + xRp). La resistencia total a través de la fuente de voltaje es igual a:

Resistencia total del potenciómetro.

La mejor representación de lo anteriormente dicho es un circuito divisor de voltaje, como se puede apreciar en la figura 3.

Como el circuito característico es un divisor de voltaje, entonces el voltaje en la carga es la fracción de la resistencia a través de la carga entre la resistencia total a través de la cual se conecta el voltaje aplicado:

Si la carga tiene resistencia infinita, entonces Vl= xVs, por lo tanto, el error causado por la carga con resistencia finita es:

Para ilustrar lo anterior, consideremos que el error por no linealidad de un potenciómetro con resistencia de 500 ohmnios, cuando el elemento deslizante avanza a la mitad de su recorrido máximo, por lo que la carga tiene una resistencia de 10kiloOhmnios. El voltaje de alimentación es 4V. Mediante la ecuación deducida es: