Potenciómetro

Un potenciómetro (del latín potentia - "fuerza" y griego μετρεω - "yo mido") es un instrumento de medición diseñado para determinar el voltaje comparando dos, en general, diferentes voltajes o EMF usando el método de compensación . Cuando se conoce uno de los voltajes, le permite determinar el segundo voltaje.

Históricamente, el potenciómetro es uno de los primeros medidores de voltaje precisos: voltímetros . Inventado por el físico alemán Johann Poggendorf en 1841 [1] .

Un potenciómetro (dispositivo de medición) no debe confundirse con una resistencia variable de tres terminales , una jerga de componentes electrónicos también llamada "potenciómetro".

A veces, los "potenciómetros" no se denominan correctamente sensores de desplazamiento y rotación basados en un circuito potenciométrico, por ejemplo, sensores de posición del acelerador en motores de combustión interna .

Cómo funciona

Un potenciómetro es un divisor de voltaje de resistencias (divisor resistivo) con resistencia variable ( resistencias variables ).

Una fuente cuyo voltaje se conoce ( ) y una fuente cuyo voltaje se necesita determinar ( ) se conectan al divisor de voltaje. $tu_{0}$ $U_x$

Conocido con suficiente precisión, uno de los voltajes comparados generalmente se denomina "voltaje de referencia" o "EMF de referencia". En la literatura extranjera, el voltaje de referencia se denomina "voltaje de referencia" y generalmente se denota . $U_{ref}$

Al ajustar manual o automáticamente la resistencia del divisor de voltaje, se aseguran de que el voltaje tomado del divisor sea igual al voltaje (o EMF) . La igualdad de tensiones ( ) se conoce comúnmente como "equilibrio de tensiones". El indicador de "equilibrio" es un medidor sensible de pequeñas corrientes (o voltajes), a menudo llamado " indicador nulo " y marcado con la letra "O" en la figura. Cuando la corriente que fluye a través del indicador cero "O" será igual a 0. $U_{K}$ $U_x$ $U_{x}=U_{K}$ $U_{x}=U_{K},$ ${\ Displaystyle I_ {x}}$

Históricamente, los galvanómetros sensibles fueron los primeros en utilizarse como indicadores nulos . En la electrónica moderna, los amplificadores diferenciales con alta ganancia se utilizan como indicador nulo .

Para el circuito que se muestra en la parte superior de la figura, según las reglas de Kirchhoff

I_{x}+I_{K}=I_{0};

U_{x}=U_{K}=I_{K}\cdot R_{1};

U_{0}+I_{0}\cdot (R_{0}-R_{1})+I_{K}\cdot R_{1}=0,

y teniendo en cuenta : ${\ estilo de visualización I_ {x} = 0}$

I_{K}=I_{0};

U_{x}=I_{0}\cdot R_{1};

I_{0}={\frac {U_{x}}{R_{1}}};

U_{0}+I_{0}\cdot (R_{0}-R_{1})+I_{0}\cdot R_{1}=U_{0}+I_{0}\cdot R_{ 0}=0;

U_{0}=-I_{0}\cdot R_{0}=-{\frac {U_{x}}{R_{1}}}\cdot R_{0};

U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{0}}},

dónde:

$R_{1}$ - resistencia de la sección de la resistencia variable desde la parte inferior (según la figura) al contacto móvil; $R_{0}$
$R_{0}$ es la resistencia total de la resistencia variable.

Para el siguiente diagrama

U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}.

Es decir, conociendo la relación de las resistencias de los resistores del divisor de voltaje cuando los voltajes son iguales ("equilibrio"), un voltaje (o) puede expresarse numéricamente a través de otro voltaje ( o, respectivamente). $tu_{0}$ $U_x$ $U_x$ $tu_{0}$

Un record se ha utilizado históricamente como una resistencia variable . El acordeón era un trozo de alambre estirado de sección transversal constante con tres conductores eléctricos. Los primeros dos cables estaban conectados a los extremos del cable y el tercero (deslizador) podía moverse a lo largo del cable. La resistencia eléctrica de un trozo de alambre homogéneo con una longitud y una sección transversal constante se expresa mediante la fórmula donde es la resistividad eléctrica del material del alambre. Conociendo la longitud del cable , la distancia desde el borde del cable hasta el control deslizante y el voltaje entre los extremos del cable, puede determinar el voltaje (igual ) entre el control deslizante y el extremo del cable: $R$ $yo$ $S$ $R=\rho {\frac{l}{S)),$ $\rho$ $L$ $yo$ $tu_{0}$ $U_{K}$ $U_x$

U_{x}=U_{K}=-U_{0}{\frac {R_{1}}{R_{0}}}=-U_{0}{\frac {\rho {\frac { l}{S))}{\rho {\frac {L}{S))))=-U_{0}{\frac {l}{L)).

Los rheocords, que son un trozo de alambre, prácticamente no se usan en los potenciómetros modernos, solo a veces se usan con fines de demostración. Un rheocord moderno es una resistencia variable, generalmente hecha en forma de un devanado en espiral de una sola capa de alambre de alta resistencia en una base (marco) recta o toroidal. El nombre "rheocord" en potenciómetros está firmemente arraigado en estas resistencias variables.

Como fuente de voltaje de referencia (ION), históricamente se usaban fuentes electroquímicas de voltaje reproducible y estable en el tiempo: celdas electroquímicas normales . En los potenciómetros modernos, los iones de precisión de semiconductores se utilizan generalmente como fuentes de voltaje de referencia: diodos zener compensados térmicamente e iones de " banda de separación ".

Si cargar una fuente de voltaje conocida en un divisor de voltaje resistivo es inaceptable, por ejemplo, en el caso de usar fuentes con alta resistencia interna , entonces se precalibra otra fuente con una resistencia interna suficientemente baja usando esta fuente.

Cuando los voltajes del divisor resistivo y el voltaje de referencia están balanceados, la corriente a través del indicador nulo (galvanómetro) es cero. Por lo tanto, la fuente de voltaje de referencia opera en equilibrio inactivo , lo que hace posible utilizar fuentes de precisión con alta resistencia interna como referencias de voltaje , por ejemplo, celdas electroquímicas normales . De manera similar, por la misma razón, es posible medir la FEM de fuentes de voltaje desconocidas con alta resistencia interna sin distorsionar el resultado de la medición, por ejemplo, la FEM de sensores potenciométricos electroquímicos.

Características de los potenciómetros para medir voltajes ultrabajos

Cuando se miden voltajes ultrabajos (a nivel de microvoltios - fracciones de un milivoltio), la distorsión de la medición resulta del termo-EMF de los termopares "parásitos" , formados en los puntos de conexión eléctrica de materiales conductores diferentes (por ejemplo , conductores de cobre y conductores de alta resistencia de resistencias variables), adquiere importancia si la temperatura de estas conexiones (empalmes) no es igual. Sin el uso de medidas especiales, los valores parásitos termo-EMF pueden alcanzar decenas de microvoltios. Por ejemplo, el termo-EMF de un par de soldadura de cobre - estaño - plomo es de aproximadamente 3-7 micrones V / K , lo que, con un valor de voltajes medidos de unas pocas a decenas de microvoltios, puede dar un error de medición relativo de varias decenas de porcentaje, lo que suele ser inaceptable. Por lo tanto, al diseñar tales potenciómetros, se toman medidas especiales para reducir los campos electromagnéticos parásitos. Una medida radical es el aislamiento térmico cuidadoso del dispositivo del ambiente externo, a veces termostatizado . Para soldar conexiones eléctricas, se utilizan soldaduras que dan una pequeña EMF térmica combinada con cobre, por ejemplo, soldaduras de estaño y cadmio , cuya EMF térmica, combinada con cobre, es inferior a 0,3 μV / K.

Potenciómetros automáticos de registro y auto-registro

Además de los potenciómetros de medida, en los que el equilibrado (cambiar la resistencia de un divisor resistivo hasta igualar la tensión medida y la tensión tomada del acordeón) se realiza manualmente, existen potenciómetros con equilibrado automático. Los dispositivos automáticos se utilizan ampliamente, por ejemplo, en registradores de autograbación (registradores de proceso en cinta de papel), que todavía son comunes en los sistemas de control de procesos industriales. Los potenciómetros electromecánicos están siendo reemplazados gradualmente por dispositivos digitales para almacenar y mostrar información.

El principio de funcionamiento de los potenciómetros automáticos se basa en el uso de un circuito de control automático servoelectromecánico. El voltaje medido y el voltaje del control deslizante se alimentan a un amplificador de error diferencial , cuya salida a través del amplificador de potencia controla el motor eléctrico reversible . El motor eléctrico a través de los elementos mecánicos ( cables , engranajes ) mueve el control deslizante del acordeón en la dirección correcta para reducir la señal de desajuste a cero. El control deslizante del acordeón está rígidamente conectado a la flecha que apunta moviéndose a lo largo de la escala digitalizada en unidades del valor medido. No es necesario digitalizar la escala en unidades de voltaje; por ejemplo, al operar el dispositivo en un conjunto con cualquier convertidor térmico , se puede digitalizar en grados de temperatura; cuando se trabaja con un electrodo de vidrio , se puede digitalizar en unidades de pH ( pH meter ). En los dispositivos de autorregistro, el bolígrafo se mueve a lo largo del papel al mismo tiempo que la flecha. El bolígrafo dibuja una línea en el papel y, por lo tanto, registra el cambio en el valor medido, generalmente en función del tiempo.

Literatura y Documentación

Kuznetsov V. A., Dolgov V. A., Konevskikh V. M. et al.Medidas en electrónica: un manual / Ed. V. A. Kuznetsova. - M. : Energoatomizdat, 1987. - S. 30-35. — 512 págs.
manual de instrumentos eléctricos de medida ; ed. K. K. Ilyunina - L .: Energoatomizdat, 1983

Notas

↑ Thomas B. Greenslade Jr. Potenciómetro, consultado el 2 de noviembre de 2010 . física.kenyon.edu. Consultado el 11 de junio de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2009. (indefinido)