Practica "El Potenciómetro"

Practica No. 2

Laboratorio de Sensores y Actuadores

PRÁCTICA NUM. 2

El Potenciómetro

INTRODUCCIÓN Los sensores basados en la variación de las resistencias eléctricas de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida. El potenciómetro se puede definir como una resistencia regulable en un circuito eléctrico, los cuales son encontrados en la mayoría de los sistemas donde se requiere variar algún parámetro de operación, o sensar un desplazamiento del cursor en la totalidad del elemento resistivo es inferior o igual a 360°.

OBJETIVO En esta práctica el estudiante conocerá los principios básicos del potenciómetro, sus principales tipos, características y aplicaciones. Además deberá describir el comportamiento de un potenciómetro y la relación entre su desplazamiento angular y el voltaje de salida.

MARCO TEÓRICO Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio (figura 1). La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos es 𝑅=

𝜌 𝜌 𝑙(1 − 𝛼) = (𝑙 − 𝑥) 𝐴 𝐴

(1.1)

Donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, 𝛼 la fracción de longitud correspondiente, 𝜌 es la resistividad del material, l su longitud y A su sección transversal, supuesta uniforme.

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Figura 1.- Potenciómetro monovuelta. Potencioemtro donde la rotacion mecanica que provoca el desplazamiento del cursor en la totalidad del elemento resistivo es inferior o igual a 360°.

Figura 2.- Potenciómetro ideal y su símbolo.

Desde el punto de vista dinámico, es en principio un sistema de orden cero, si bien puede formar parte de un sensor que no sea de orden cero como, por ejemplo, un sistema masa – resorte. El comportamiento descrito por (1.1), que equivale a decir que la resistencia es proporcional al recorrido del cursor, implica aceptar la validez de una serie de simplificaciones que conviene aplicar pues no siempre pueden darse por garantizadas. En primer lugar, se supone que la resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido l, pero obviamente la resistencia no será perfectamente uniforme por lo que la linealidad del potenciómetro estará acotada. La diferencia entre el comportamiento esperado y obtenido se denomina conformidad. En segundo lugar, se supone que el contacto del cursor da una variación de resistencia continua, no a saltos y que, por tanto, la resolución es infinita, pero esto no es cierto para todos los tipos de elementos resistivos. Además, el recorrido mecánico suele ser mayor que el recorrido eléctrico, es decir, no todo el soporte está recubierto de conductor. Para que el modelo descrito por (1.1) sea aceptable, si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su inductancia y capacidad deben ser despreciables. Otro factor a considerar es que los resistores cambian de valor con la temperatura. Estas pueden ser debidas no solo a fluctuaciones de la temperatura ambiente, sino también a un 2

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autocalentamiento motivado por la limitación en la potencia que puede disipar el potenciómetro.

TIPOS DE POTENCIÓMETROS Los primeros y más usados son los ya estudiados llamados mecánicos. Los hay rotatorios, lineales, logarítmicos y senoidales. Los dos primeros ya los hemos visto, veamos los otros. Logarítmicos: Estos son empleados normalmente para audio por su manera asimétrica de comportarse ante la variación de su eje, al principio sufriremos un incremento de la resistencia muy leve, hasta llegar a un punto en que el incremento será mucho mayor. En los anteriores la resistencia varía de forma lineal, sin embargo en estos la variación de la resistencia tendría una curva logarítmica. Cuanto más giramos la rueda mayor es el aumento de la resistencia. Al principio varía muy poco la resistencia. Se suelen usar por ejemplo para el volumen de una radio. Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no. Ahora hay los llamados Potenciómetros Digitales. Se usan para sustituir a los mecánicos simulando su funcionamiento y evitando los problemas mecánicos de estos últimos. Está formado por un circuito integrado que simula el comportamiento de su equivalente analógico. Tienen un divisor resistivo (divisor de tensión) con n+1 resistencias. Por último vamos hablar de unos componentes que no se consideran potenciómetros propiamente, pero sí que son resistencias variables.

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DESCRIPCIÓN DE CADA TIPO DE POTENCIÓMETRO

 Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.

Potenciómetro de mando

 Potenciómetros de ajuste Controlan parámetros pre-ajustados, normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula, y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impreso.

 Potenciómetros lineales

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La resistencia es proporcional al ángulo de giro. Generalmente denominados con una letra B.

 Logarítmicos La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro. Generalmente denominados con una letra A.

 Senoidales La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.

 Potenciómetros multi-vuelta Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetros multi-vuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo des-multiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.

TIPOS DE POTENCIOMETRO DE MANDO

 Potenciómetro rotatorio Se controlan girando su eje. Son los más habituales pues son de larga duración y ocupan poco espacio.

Algunos potenciómetros rotatorios

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 Potenciómetros deslizantes La pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo.

Potenciómetros lineales

 Potenciómetros múltiples Son varios potenciómetros con sus ejes coaxiales, de modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en instrumentación, autorradios, etc.

Potenciómetro múltiple

 Potenciómetros digitales Se llama potenciómetro digital a un circuito integradocuyo funcionamiento simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de un divisor resistivo de n+1 resistencias, con su n puntos intermedios conectados a un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de una interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia en torno al 20 % y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches internos, conocida como Rwiper. Los valores más comunes son de 10K y 100K aunque varía en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024 posiciones en escala logarítmica 6

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o lineal. Los principales fabricantes son Maxim, Intersil y Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas limitaciones que los conversores DAC como son la corriente máxima que pueden drenar, que está en el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque generalmente son monotónicos.

Potenciómetros digitales

CONSTRUCCIÓN  Potenciómetros impresos Son realizados con una pista de carbón o de cermet sobre un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado e un patin que se desliza por la pisa resistiva.

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 Potenciómetros bobinados Consistentes en un arrollamiento toroidal de un hilo resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo.

Potenciómetro bobinado

MARCO TEÓRICO DE LABVIEW

LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentosUtilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Principales Controles Utilizados

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DISCRIPCION DE LOS CONTROLES DE LA FIGURA ANTERIOR 1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 2. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, debe ser especificado por una constante (ver 6). 3. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 4. Cierra el Sub-VI DMM. 5. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición (ver 11). 6. Inicializador del Sub-VI DMM. 7. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar (ver 11). 8. Despliega en forma numérica el voltaje medido. 9. Medidor visual de entrada variable, la aguja indicadora muestra el valor (int) de entrada, en el panel frontal podemos configurar este medidor a los rangos necesarios dando doble click sobre los límites. 10. Indica el valor de un índice específico de un arreglo. 11. Tipo de medición del Sub-VI DMM. 12. Comparador MAYOR QUE, compara dos valores y si el primero es mayor que el segundo, el comparador entrega una salida verdadera, la cual puede activar un LED virtual. 13. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función WAIT. 14. Operador booleano, muestra un LED en el panel frontal del VI, el LED enciende si el valor del voltaje es mayor a 0 15. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 12.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo.

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LISTADO DE MATERIAL    

1 potenciómetro de 10 K ohms. NI ELVIS. Caja con transportador. Cables.

DESARROLLO

1. Medir la resistencia total real del potenciómetro, la cual puede ser medida conectando un óhmetro entre las terminales de los extremos, o puede ser leída en la serigrafía del potenciómetro.

2. Montar el potenciómetro en la base de madera y a través del transportador para poder medir su desplazamiento angular.

3. Medir el voltaje real que suministrara la fuente de voltaje.

4. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente. 10

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a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS.

5. Conectar el potenciómetro como la siguiente figura.

6. Una vez conectado correctamente, encender el NI ELVIS.

7. Inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS y seleccionar el módulo de DMM.

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8. Girar el potenciómetro hasta que la perilla apunte a los 0 grados.

9. Girar la perilla del potenciómetro y tomar mediciones de su desplazamiento angular y el voltaje de salida medidos. Se recomienda utilizar la fuente de 5v del NI ELVIS y medir los datos cada 10° de desplazamiento angular.

10. Hacer una gráfica del desplazamiento angular contra el voltaje medido en la salida.

RESULTADOS Tabla donde se muestra la salida de voltaje con respecto al ángulo del potenciómetro. Ángulo

Volts

0

0.0018

10

0.01035

20

0.146

30

0.267

40

0.276

50

0.291

60

0.396

70

0.549

80

0.614

90

0.738

100

0.843

110

0.989 12

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120

1.123

130

1.325

140

1.469

150

1.650

160

1.849

170

2.457

180

2.814

190

2.912

200

3.255

210

3.605

220

3.807

230

3.980

240

4.272

250

4.668

260

4.904

270

4.998

Grafica del voltaje medido y el desplazamiento angular realizada a partir de los datos de la tabla anterior.

Grafica voltaje - desplazamiento angular 6

VOLTAJE

5 4 3 2 1 0 0

50

100

150 ÁNGULO

200

250

300

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DESARROLLO EN LABVIEW En esta práctica se colocó el potenciómetro de la misma manera que se hizo en la primera parte de la práctica, pero ahora en vez de medir el voltaje regulado con un vólmetro, se hará mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta práctica será el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa información con el software LabVIEW y obtener un programa como el de a continuación

fuente de voltaje

potenciómetro

NI ELVIS

LabVIEW

1. Colocar el potenciómetro de tal manera que los conectores estén del lado izquierdo, cerca de la fuente de voltaje del NI ELVIS.

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1. Abrir el documento Prac2.VI.

2. Sin prender el NI ELVIS, conectar el cable rojo inferior a la salida de voltaje de 5 Volts, el cable negro inferior a la conexión de tierra (Gnd).

3. El voltaje de salida del potenciómetro será medido por medio del DMM (Multímetro Digital) del NI ELVIS

4. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 2.8, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT, comparador MAYOR QUE y voltaje variable

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5. Realizar conexiones virtuales: a. El primer paso es para inicializar los instrumentos que utilizaremos. Este paso esta agrupado a la izquierda del ciclo WHILE. b. En el segundo paso se encuentra el propio ciclo WHILE, dentro del cual se realiza una rutina de medición del voltaje en el potenciómetro hasta que oprimamos el botón de paro u ocurra un error en el VI, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la función WAIT. c. Por ultimo en el tercer paso, después del ciclo WHILE, se encuentran los procesos para cerrar los instrumentos utilizados. 6. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la posición angular teórica, el voltaje crítico en el cual debe prender el LED, y el botón de paro (stop).

7. Considerar el rango de giro del potenciómetro, el rango efectivo donde su comportamiento es lineal, el voltaje real de la fuente y el voltaje máximo permitido por la DAQ.

8. Comparar los datos obtenidos en esta práctica con los que obtuvieron en la práctica #2, y anotar si el programa medido funcionó con exactitud. 16

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9. Supóngase que el potenciómetro fuera una llave de paso para el llenado de un tanque de agua. Diseñar un programa en LabVIEW que muestre el tanque y el nivel de agua que tendría después de determinado tiempo si se llenara con la llave de paso en esa posición, y que contenga 3 LEDs que indiquen el nivel del agua; bajo, medio, alto.

ALGUNAS IMÁGENES DEL PROGRAMA FUNCIONANDO.

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CONCLUSIÓN

Anteriormente ya había trabajado con potenciómetros en la preparatoria pero solo sabía que estos hacían la función de variar su resistencia en un rango, ahora aquí en esta práctica de laboratorio de sensores aprendí que todo potenciómetro tiene una resistividad de acuerdo con el desplazamiento angular que se le proporcione. Con la investigación que realice como marco teórico de esta práctica supe que existen diferentes tipos de potenciómetros ya sea lineales, compuestos, angulares y digitales, y que también se emplean diferentes técnicas de fabricación de estos mismos. Así como también aprendí que un potenciómetro puede ser usado como un sensor para medir diferentes cantidades físicas, como el movimiento angular, o el nivel de un tanque de agua. En general un potenciómetro tiene muchos usos a pesar de que es un dispositivo muy simple. En conclusión con la práctica dos, pienso que fue muy interesante realizar la práctica, aunque un poco tardado la parte de LabVIEW.

REALIZANDO LA PRACTICA NUM. 2

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BIBLIOGRAFÍA



http://www.areatecnologia.com/electronica/potenciometro.html



http://ingeniatic.euitt.upm.es/index.php/tecnologias/item/556potenci%C3%B3mmetro

Instructivo de Laboratorio de Sensores y Actuadores Autores: Prof. MC. Antonio Cayetano Lozano García. Prof. MC. José Ángel Castillo Castro. Prof. MC. Adán Ávila Cabrera. Prof. MC. Carlos Alberto Porras Mata.

Ramón Pallás Areny Sensores y Acondicionadores de Señal, 4ª edición. Editorial. Alfa Omega, México. 2006

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