Potenciómetros - Aún una buena solución en sensores (ART1238S)

Con la disponibilidad cada vez mayor de dispositivos sensores de posición avanzados, la vieja tecnología del potenciómetro puede parecer superada para muchos, debiendo ser totalmente abandonada. Sin embargo, no es lo que ocurre. La tecnología de los potenciómetros también ha evolucionado y aunque estos dispositivos son antiguos, los tipos que incorporan nuevas tecnologías pueden ser extremadamente interesantes en muchas aplicaciones. Vea en este artículo porque los profesionales deben pensar también en esos dispositivos cuando necesiten un buen sensor de posición.

   Los potenciómetros se han utilizado como sensores de posición desde hace más de cien años. Pero en los últimos años se han incorporado nuevas tecnologías a estos sensores, mejorando su confiabilidad y también su rendimiento. Esto hace que estos dispositivos siguen una buena solución para problemas de detección. Sin embargo, para saber elegir un potenciómetro como sensor de posición es necesario conocer los nuevos tipos y lo que debemos observar en sus características.

Este artículo sirve de orientación para los profesionales que necesitan un sensor de posición y pretenden incluir esta solución tradicional en su posible relación de opciones.

 

Potenciómetros - Todavía una solución importante

A diferencia de lo que muchos piensan, la existencia de sensores de posición con tecnologías avanzadas como los LVDT y encoders no ha hecho que el uso de los potenciómetros desaparezca. Encontramos este dispositivo sensor en máquinas industriales, satélites, misiles, robots y en muchos sistemas actuales donde el monitoreo de posición se hace necesario.

El principio de funcionamiento de un potenciómetro común es bien conocido de todos. El dispositivo posee un eje que actúa sobre un elemento resistivo que tanto puede ser de carbono como hilo de nicromo. El elemento de carbono o nicromo tiene sus extremos conectados a dos terminales y el cursor a un tercer terminal central, como muestra la figura 1.

 

Figura 1 - Aspecto y construcción de un pote
Figura 1 - Aspecto y construcción de un pote

 

 

En la aplicación normal, uno de los terminales del elemento resistivo se conecta a una fuente de tensión y otro a la tierra. Cuando el cursor se mueve sobre el elemento resistivo al girar el eje, la tensión en su terminal varía, como muestra la figura 2.

 

Figura 2 - Operación del potenciómetro como sensor
Figura 2 - Operación del potenciómetro como sensor

 

 

Así, es posible establecer una relación directa entre la posición del eje (ángulo de giro) y la tensión en el terminal del cursor, que puede ser considerado terminal de salida.

En electrónica es común que las curvas de correspondencia entre la posición y el giro no sean lineales, lo que lleva a tipos con respuestas logarítmicas y antilogaritmicas e incluso especiales.

En la práctica también tenemos tipos que pueden sensoriar el desplazamiento lineal de un objeto o pieza, en cuyo caso en que en lugar de tener un casi círculo para el elemento resistivo, consiste en una pieza rectilínea, como muestra la figura 3.

 

Figura 3 - Sensor potenciométrico lineal LTC de Metaltex.
Figura 3 - Sensor potenciométrico lineal LTC de Metaltex.

 

 

Entendiendo las Especificaciones

Como cualquier componente electrónico, para saber utilizar un potenciómetro es necesario saber interpretar sus especificaciones. Ellas son de gran importancia para poder elegir de forma correcta el tipo apropiado para la aplicación que tenemos en mente y estar seguros si este tipo de solución es la mejor.

 

• Especificaciones mecánicas

En este caso se incluyen los tipos de envoltorios, configuraciones del eje, recorrido mecánico y acoplamientos. Los diferentes tipos disponibles deben ser analizados de acuerdo con el montaje mecánico en el sistema a ser sensorado. El tipo de parada también debe ser analizado.

 

• Vida útil

La vida útil se mide por el número de ciclos del sensor. Para los sensores potenciométricos la vía útil gira en torno a 5 millones de ciclos. Sin embargo, se puede extender con el uso de lubricantes. Hay todavía tipos especiales que hacen uso de metales nobles en los cursores lo que les dota de una vida útil mayor.

 

• Resistencia

Esta es una especificación eléctrica importante, pues determina las características de entrada del circuito electrónico en que el sensor va a ser utilizado. La resistencia de estos sensores debe especificarse con una tolerancia que depende de las aplicaciones. Las tolerancias del orden del 1% son normales para este tipo de sensor.

 

• Tipo

El tipo depende del movimiento que debe ser sensato. Los sensores potenciométricos pueden ser rotativos o lineales. Los rotativos poseen un eje que al ser acoplado a un sistema sensora su ángulo de rotación. Los sensores lineales poseen un cursor que recorre una cierta distancia sensorando un desplazamiento.

 

• Resolución

Podemos definir la resolución de un sensor potenciómetro como el desplazamiento mínimo que puede ser traducido en una variación de la resistencia o tensión de salida que puede ser detectada. Como los potenciómetros son dispositivos lineales, a diferencia de los encoders, la resolución teórica es infinita. Gracias a esta característica, se pueden utilizar amplificadores de alta ganancia con mejor respuesta de frecuencia lo que es importante en ciertas aplicaciones. Otra ventaja importante es que al ser conectado, el potenciómetro sabe cuál es su posición no necesita ser restablecido (volver a cero), como es el caso de sensores incrementales de posición.

 

• Linealidad

La linealidad puede ser dada a través de la desviación máxima entre el valor de la posición sensoriado y el valor real, a través de un porcentaje oa través de un gráfico, como el de la figura 4.

Este gráfico muestra las desviaciones entre la posición real sensorada y la posición presentada por el sensor.

 

Figura 4 - Gráfico que representa la linealidad de un sensor
Figura 4 - Gráfico que representa la linealidad de un sensor

 

 

• carga

Un divisor de tensión, como el sensor potenciómetro en la configuración normal, sólo proporciona una tensión real que corresponde a su posición si no está conectado a nada, es decir, en la operación en circuito abierto, como muestra la figura 5 (a).

Sin embargo, cuando conectamos la salida de este sensor a un circuito que procesa su señal, un amplificador operacional, por ejemplo, el circuito es cargado y la tensión medida se cambia, como muestra la figura 5 (b).

 

Figura 5 - Sensor sin carga
Figura 5 - Sensor sin carga

 

(a) La salida de un sensor sin cargar en posición central para un circuito de 12 V

 

Figura 5 - Sensor con carga
Figura 5 - Sensor con carga

 

 

(b) El mismo sensor utilizado en un circuito con una resistencia de entrada de 10k (R3) que lo carga, alterando la tensión obtenida. (simulaciones realizadas en NI Multisim 11, de National Instruments (*)

 

Esto significa que el sensor debe elegirse de acuerdo con el circuito de entrada que debe tener una resistencia de entrada que no afecte la precisión de la medida. Amplificadores para instrumentación con entradas de muchos megohms son los ideales.

 

• ruido

El deslizamiento del cursor sobre el elemento resistivo de un sensor es una fuente de ruido. Todos los que sufren con el desagradable ruido cuando aumentamos o disminuimos el volumen de un equipo de sonido o radio de coche lo saben. En el caso de los sensores, el ruido puede inducir el circuito que procesa la señal a falsas indicaciones y si está acoplado a un sistema que tiene un accionamiento automático basado en su información, puede ocurrir el accionamiento errático. Existen normas para los sensores de este tipo, las cuales deben ser consultadas en el caso de una aplicación más crítica.

 

• Disipación

Cuando se aplica una tensión en el sensor para su alimentación circula una corriente. El producto de esta tensión por la corriente significa una potencia que se convierte en calor. Se debe verificar si en las condiciones de operación del sensor puede disipar la potencia desarrollada.

 

• Medio Ambiente

En ciertos casos el sensor debe operar en condiciones ambientales adversas que incluyen baja o alta temperatura, gases, contaminación, etc. Se debe elegir el tipo que pueda soportar estas condiciones. También existen los casos en que las condiciones adversas son de naturaleza mecánica como choques y vibraciones.

 

Comparando con otras tecnologías

Las otras tecnologías utilizadas en el sensor de posición, que no necesitan ser explicadas son la de los encoders y de los LVDT (lineal variable diferencial transformer). Podemos comparar los potenciómetros con estos dos tipos de sensores teniendo en cuenta diversas características:

 

a) Coste

• Potenciómetro - bajo

• LVDT - medio o alto

• Encoder - medio o alto

 

b) Recuperación en caso de corte de energía

• Potenciómetro - inmediato, sin necesidad de resecar

• LVDT - inmediata, sin necesidad de resecar

• Encoder - depende de reset, el sistema debe volver a la posición inicial

 

c) Linealidad

• Potenciómetro - <1%

• LVDT- depende de las espiras

• Encoder - no especificado

 

d) Resolución

• Potenciómetro - infinito

• LVDT - Limitada por el circuito de acondicionador de ruido

• Encoder - depende del número de pasos - limitado por el tamaño

 

e) Consumo

• Potenciómetro - bajo

• LVDT - medio a alto

• Depende del tamaño y del circuito

 

f) Vida útil

• Potenciómetro -> 5 millones de ciclos

• LVDT -> 10 millones de ciclos

• Encoder -> 10 millones de ciclos

 

Es claro que estas características dependen de tipo para tipo y de aplicación, pero sirven como un parámetro medio para elegir.

 

Conclusión

Los potenciómetros todavía deben considerarse como solución para muchos problemas de sensor de posición. Antes de hacer una opción, en caso de duda, sugerimos consultar a los ingenieros de su proveedor de sensores, ya que pueden ser útiles para proporcionarle información adicional para sus proyectos.