Potenziometro: a cosa serve e dove si usa?

Il potenziometro è un componente presente in innumerevoli dispositivi, dalle semplici apparecchiature audio ai complessi macchinari industriali. Il potenziometro funziona come un resistore variabile che permette di regolare la tensione che fluisce a valle dello stesso. In questo articolo approfondiamo il mondo dei potenziometri, facendo luce su cosa sono, come funzionano, i vari tipi disponibili e le loro applicazioni.

Cos’è il potenziometro?

Il potenziometro è un resistore variabile dotato di un contatto mobile, che consente la regolazione di tale resistenza e quindi della tensione ai sui capi all’interno di un circuito. Questa caratteristica di regolazione rende il potenziometro particolarmente utile negli scenari in cui è richiesto un controllo del livello di tensione.

Il potenziometro è un componente che trasforma la grandezza al suo ingresso, ovvero la tensione, e fornisce in uscita una tensione ad un livello diverso. Il potenziometro è quindi un trasduttore che al variare del valore della resistenza al suo interno, modula il valore della tensione in ingresso. Per ogni singola posizione che può assumere il contatto mobile, il potenziometro si comporta come un partitore di tensione.

Che si tratti di ottimizzare il volume audio, regolare la velocità del motore o calibrare le letture dello strumento, i potenziometri offrono un’ampia flessibilità di utilizzo.

Come è fatto il potenziometro?

Il potenziometro è costituito da un elemento resistivo e da un contatto mobile. Il contatto mobile non è completamente libero bensì è vincolato ad un movimento che tipicamente può essere di traslazione lineare oppure di rotazione.

A seconda delle applicazioni, il contatto mobile può anche essere multigiro tramite un movimento elicoidale ovvero un movimento che combina contemporaneamente la traslazione lineare e la rotazione. Nei potenziometri con movimento traslatorio dell’elemento mobile, tipicamente la corsa del contatto mobile può essere di pochi millimetri sino a qualche decina di centimetri.

Nei potenziometri con movimento rotativo, il contatto mobile tipicamente attua una rotazione che può essere di pochi gradi oppure di diverse decine di giri. In tutti i casi il moto dell’elemento dipende dall’applicazione per cui è stato costruito il potenziometro.

Come funziona il potenziometro?

Il funzionamento di un potenziometro ruota attorno al principio della divisione della tensione. Quando il contatto mobile (solitamente una manopola o un cursore) cambia posizione lungo un elemento resistivo, altera il rapporto di resistenza su entrambi i lati. Ciò, a sua volta, si traduce in una tensione o resistenza di uscita variabile, a seconda della configurazione del circuito. Sia che la risposta sia lineare o logaritmica, i potenziometri soddisfano diversi requisiti applicativi con le loro caratteristiche regolabili.

Consideriamo a titolo di esempio un potenziometro lineare ovvero un potenziometro dove la variazione della posizione dell’elemento mobile porta ad una variazione lineare della tensione in uscita. Per capirne il funzionamento vediamo l’andamento tra il rapporto della tensione di uscita / ingresso ed il rapporto della resistenza di uscita / ingresso.

Consideriamo V_OUT: tensione in ingresso; V_IN: tensione in uscita, S_IN: spostamento del cursore ovvero dell’elemento mobile; S_TOT: spostamento totale che può effettuare il cursore quando arriva al massimo della traslazione cioè a fondoscala.

Dal grafico appena mostrato si può vedere la rappresentazione dell’andamento della tensione in uscita V_OUT che sarà massima (ovvero V_OUT = V_IN) quando lo spostamento del cursore è massimo (ovvero S_IN = S_TOT). Questo andamento può considerarsi lineare fintanto che a valle de potenziometro c’è un circuito aperto ovvero in assenza di carico.

In condizioni reali, la tensione in uscita dal potenziometro andrà a servire un circuito o più in generale un carico che a sua volta assorbirà della corrente. Per questo in condizioni reali il potenziometro non avrà un andamento perfettamente lineare a causa delle influenze dell’assorbimento di corrente da parte del carico. Vediamo di seguito l’andamento della tensione in uscita rispetto allo spostamento del cursore in condizioni reali.

Dal grafico è possibile osservare l’andamento della tensione in uscita per effetto del carico. In particolare si nota come la linearità tra V_OUT ed S_IN si va perdendo al crescere del rapporto R/R_L.

Per poter quindi preservare la linearità attesa del potenziometro, occorre quindi utilizzare un potenziometro con resistenza R adeguatamente piccola rispetto alla quella del carico R_L.

Un potenziometro funziona variando la resistenza lungo un elemento resistivo per controllare il flusso di corrente elettrica attraverso un circuito. Ecco come funziona:

1. Struttura di base: Un potenziometro è tipicamente costituito da un elemento resistivo, un contatto strisciante (o cursore) e due contatti fissi (terminali). L’elemento resistivo può essere costituito da vari materiali come carbonio, plastica conduttiva o materiali a filo avvolto.
2. Meccanismo di regolazione: Quando viene applicata una tensione ai due terminali fissi del potenziometro, la corrente elettrica scorre attraverso l’elemento resistivo. Il contatto strisciante, spesso comandato da una manopola o leva, è posizionato lungo l’elemento resistivo.
3. Resistenza variabile:Man mano che il contatto strisciante si muove lungo l’elemento resistivo, crea percorsi diversi per il flusso della corrente elettrica. La resistenza tra un terminale fisso e il contatto scorrevole, noto come “resistore variabile”, cambia proporzionalmente in base alla posizione del contatto mobile.
4. Divisione di tensione: Secondo la legge di Ohm (V = R*I), la caduta di tensione su un resistore è direttamente proporzionale alla resistenza e alla corrente che lo attraversa. Nel caso di un potenziometro, quando cambia la resistenza tra il contatto strisciante e un terminale fisso, cambia anche la caduta di tensione su quel segmento.
5. Regolazione della tensione di uscita: Collegando il terminale di uscita interessato al contatto strisciante e l’altro terminale a terra (o altro potenziale fisso), è possibile regolare la tensione in uscita dal potenziometro in base alla posizione del contatto strisciante. Ciò consente un’uscita di tensione variabile entro un intervallo specificato.

In sintesi, un potenziometro funziona regolando la posizione di un contatto strisciante lungo un elemento resistivo, modificando così la resistenza e la tensione in uscita in un circuito.

A cosa serve il potenziometro?

I potenziometri servono a vari scopi nei circuiti elettronici, grazie alle loro proprietà di resistenza regolabile. Questa caratteristica di resistenza regolabile rende i potenziometri componenti versatili utilizzati in un’ampia gamma di dispositivi elettronici per scopi di controllo, calibrazione e regolazione. I potenziometri vengono utilizzati in varie applicazioni di controllo in cui è richiesta una regolazione precisa della tensione o della resistenza. Ad esempio, nei controlli del volume audio, ruotando la manopola si modifica la posizione del contatto scorrevole, regolando la resistenza e alterando quindi la tensione di uscita per controllare il livello del volume. Alcuni usi comuni includono:

1. Controllo del volume: nelle apparecchiature audio come amplificatori, radio e altoparlanti, i potenziometri regolano il volume regolando l’ampiezza del segnale elettrico.
2. Controllo della luminosità: i potenziometri sono utilizzati negli interruttori dimmer delle luci, consentendo agli utenti di regolare i livelli di luminosità in base alle proprie preferenze.
3. Sintonizzazione e calibrazione: i potenziometri vengono utilizzati nei circuiti di sintonizzazione di radio, televisori e altri dispositivi di comunicazione per ottimizzare le frequenze o calibrare strumenti sensibili come oscilloscopi e multimetri.
4. Controllo della velocità del motore: i potenziometri regolano la velocità dei motori CC regolando la tensione fornita loro, controllando la velocità di rotazione.
5. Controlli dell’interfaccia utente: i potenziometri sono integrati nei pannelli di controllo e nelle interfacce utente dei dispositivi elettronici per fornire opzioni di regolazione manuale per parametri come temperatura, pressione o posizione.
6. Equalizzazione: nelle apparecchiature audio come mixer ed equalizzatori, i potenziometri controllano il livello delle diverse bande di frequenza, consentendo una regolazione precisa delle caratteristiche del suono.
7. Sensori: i potenziometri possono essere utilizzati come sensori di posizione, ad esempio nei sensori di posizione dell’acceleratore nei veicoli o come parte di encoder rotativi per misurare la posizione di rotazione.
8. Sistemi di feedback e controllo: nei sistemi di feedback e controllo, i potenziometri agiscono come resistori variabili per regolare il segnale di feedback o impostare tensioni di riferimento per mantenere i parametri di sistema desiderati.

Questi sono solo alcuni esempi delle numerose applicazioni dei potenziometri in vari settori e dispositivi elettronici. La loro versatilità li rende componenti indispensabili nei circuiti elettrici ed elettronici, garantendo flessibilità e precisione nel controllo dei parametri elettrici.

Dove viene usato il potenziometro?

La versatilità dei potenziometri trascende i settori specifici, trovando utilità nei sistemi automobilistici, nella strumentazione aerospaziale, nell’elettronica di consumo e altro ancora. Nelle applicazioni automobilistiche, regolano l’illuminazione del cruscotto e i sistemi HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning, ovvero “riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria”), mentre nel settore aerospaziale aiutano nella strumentazione di volo e nei pannelli di controllo. Nell’elettronica di consumo, consentono interfacce utente intuitive.

I potenziometri trovano applicazioni in un’ampia gamma di settori e dispositivi elettronici. Ecco alcune aree comuni in cui vengono utilizzati i potenziometri:

1. Elettronica di consumo: i potenziometri sono prevalenti nell’elettronica di consumo come televisori, radio, amplificatori audio e sistemi stereo per il controllo del volume, la sintonizzazione e l’equalizzazione.
2. Industria automobilistica: nei veicoli, i potenziometri vengono utilizzati nei controlli del cruscotto per regolare il volume dell’audio, la velocità della ventola e le impostazioni del climatizzatore. Servono anche nei sensori di posizione dell’acceleratore, nei sensori di posizione del pedale e in altri controlli automobilistici.
3. Macchinari industriali: i potenziometri sono parte integrante dei macchinari industriali per il controllo dei processi, la regolazione della velocità del motore e la calibrazione delle apparecchiature. Sono utilizzati in saldatrici, macchine CNC (Controllo Numerico Computerizzato), bracci robotici e altri sistemi automatizzati.
4. Aerospaziale e difesa: i potenziometri vengono utilizzati in applicazioni aerospaziali e di difesa per strumentazione di volo, pannelli di controllo, sistemi avionici e apparecchiature di navigazione.
5. Dispositivi medici: i potenziometri vengono utilizzati in dispositivi medici quali sistemi di monitoraggio dei pazienti, macchine per dialisi e strumenti chirurgici per il controllo e la calibrazione di precisione.
6. Elettrodomestici di consumo: i potenziometri regolano le funzioni degli elettrodomestici come lavatrici, frigoriferi, condizionatori e forni a microonde per regolare impostazioni come temperatura, tempo e intensità.
7. Telecomunicazioni: i potenziometri vengono utilizzati nelle apparecchiature di telecomunicazione come modem, router e torri di telecomunicazione per la sintonizzazione, l’equalizzazione e la calibrazione del segnale.
8. Strumenti musicali: i potenziometri sono componenti integrali di strumenti musicali come chitarre elettriche, sintetizzatori e amplificatori per la regolazione di volume, tono e parametri degli effetti.
9. Apparecchiature di test e misurazione: i potenziometri svolgono un ruolo cruciale negli strumenti di test e misurazione come oscilloscopi, multimetri e generatori di segnali per la calibrazione, la regolazione della tensione e il condizionamento del segnale.
10. Sistemi di energia rinnovabile: i potenziometri sono utilizzati nei sistemi di energia rinnovabile come i pannelli solari e le turbine eoliche per tracciare e regolare la posizione degli inseguitori solari e delle pale delle turbine eoliche.

Questi sono solo alcuni esempi delle diverse applicazioni dei potenziometri in vari settori e industrie. La loro versatilità e precisione li rendono componenti indispensabili nei sistemi elettronici, fornendo capacità di controllo e regolazione in innumerevoli dispositivi e apparecchiature.

Tipi di potenziometro

I potenziometri sono disponibili in una miriade di configurazioni per soddisfare le diverse esigenze. I potenziometri rotativi, caratterizzati da un albero e una manopola rotanti, sono prevalenti nei sistemi audio, dove regolano i controlli di volume e tono. I potenziometri a scorrimento, caratterizzati da un movimento di scorrimento lineare, trovano favore in applicazioni che richiedono regolazioni lineari, come equalizzatori e fader. Altre varianti specializzate includono potenziometri multigiro per regolazioni di precisione e trimmer per la calibrazione del circuito.

I potenziometri sono disponibili in vari tipi, ciascuno progettato per soddisfare applicazioni e requisiti specifici. Ecco alcuni tipi comuni di potenziometri.

Potenziometro lineare

I potenziometri lineari hanno una relazione lineare tra la posizione del cursore e il valore della resistenza. Mentre il cursore si muove lungo l’elemento resistivo, la resistenza cambia in modo lineare.

Nella figura sopra vediamo un esempo di potenziometro lineare con l’elemento mobile realizzato con uno slide. L’elemento mobile può essere anche una vite, , in entrambi i casi l’elemento mobile trasla variando linearmente una resistenza.

Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui è necessaria una regolazione lineare, come controlli di volume e regolatori di velocità del motore.

Potenziometro rotativo

I potenziometri rotativi hanno un albero rotante e una manopola per regolare la posizione dell’elemento mobile lungo l’elemento resistivo.

Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui è necessaria la regolazione della rotazione, come i controlli del volume nelle apparecchiature audio, i controlli di sintonizzazione nelle radio e le manopole rotanti nelle interfacce utente.

Potenziometro logaritmico (Log Pot)

I potenziometri logaritmici, noti anche come potenziometri audio, hanno una relazione logaritmica tra la posizione del cursore e il valore della resistenza. Nel grafico seguente vediamo l’andamento tipico della variazione di tensione ai capi del potenziometro al variare della posizione del selettore.

Questo andamento logaritmico imita il modo in cui l’orecchio umano percepisce i cambiamenti di volume, rendendoli i potenziometri logaritmici ideali per applicazioni audio come i controlli del volume nelle apparecchiature musicali.

Potenziometro multigiro

Il potenziometro multigiro è un tipo di potenziometro che permette la rotazione multipla dell’elemento mobile. I potenziometri multigiro hanno una corsa rotativa dell’elemento mobile molto più ampia rispetto ad i potenziometri a singolo giro. Questo permette di incrementare notevolmente la risoluzione della regolazione dell’elemento mobile e di conseguenza di avere un controllo più fine della tensione in uscita. L’elemento resistivo è tipicamente realizzato con una struttura a spirale o elicoidale.

Il potenziometro multigiro è utilizzato in applicazioni che richiedono elevata precisione, come strumenti di calibrazione, apparecchiature di prova, strumenti di misura, apparecchiature audio, dispositivi medici e dispositivi di controllo in ambito industriale.

Potenziometro trimmer (Trimpot)

I potenziometri trimmer, noti anche come potenziometri trim o resistori trimmer, sono piccoli potenziometri preimpostati utilizzati per la calibrazione o la regolazione iniziale durante la produzione o la configurazione del circuito.

Spesso sono montati direttamente sui circuiti stampati e vengono regolati utilizzando un cacciavite. I trimmer in genere non sono destinati a regolazioni frequenti una volta impostati.

Potenziometro digitale

Il potenziometro digitale, o digipot, è un dispositivo elettronico che controlla digitalmente i valori di resistenza utilizzando circuiti integrati (IC) anziché meccanismi meccanici. Tipicamente è realizzato tramite una rete di resistori che vengono attivati da un segnale digitale attraverso degli interruttori come i transistor CMOS.

Offrono vantaggi come il controllo remoto, la programmabilità e la possibilità di memorizzare le preimpostazioni digitalmente. I potenziometri digitali trovano applicazioni nei sistemi audio, nella strumentazione e nell’elettronica di consumo.

Simbolo del potenziometro

Il simbolo del potenziometro da utilizzare negli schemi elettrici, in accordo alla norma EN 60617, è mostrato nella figura seguente.

Alcuni schemi elettrici, generalmente quelli realizzati tramite strumenti CAD con impostazione dei simboli nord-americani, presentano un simbolo diverso che non è considerato normalizzato in Europa. Il simbolo del potenziometro utilizzato nelle regioni americane ed asiatiche è il seguente.

Vantaggi e svantaggi del potenziometro

I potenziometri sono componenti versatili utilizzati in varie applicazioni elettroniche. Di seguito sono riportati i pro e i contro dell’utilizzo dei potenziometri:

Vantaggi del potenziometro

• Resistenza variabile: i potenziometri forniscono una resistenza regolabile, consentendo un controllo preciso sui livelli di tensione o corrente in un circuito. Questa funzionalità è essenziale nelle applicazioni che richiedono una regolazione manuale, come il controllo del volume e la sintonizzazione.
• Versatilità: i potenziometri sono disponibili in vari tipi (lineari, logaritmici, multigiro, etc.) e configurazioni (rotativi, a scorrimento), che li rendono adatti a un’ampia gamma di applicazioni in diversi settori e dispositivi elettronici.
• Semplicità: i potenziometri sono relativamente semplici da usare e integrare nei circuiti. Non richiedono meccanismi di controllo complessi o circuiti aggiuntivi per il funzionamento, il che li rende economici e facili da implementare.
• Interazione con l’utente: i potenziometri consentono l’interazione diretta con l’utente e il controllo sui dispositivi elettronici, fornendo un’interfaccia tattile e intuitiva per la regolazione di impostazioni e parametri.

Svantaggi del potenziometro

• Usura: i potenziometri meccanici, in particolare quelli utilizzati per regolazioni manuali frequenti, sono soggetti a usura nel tempo, con conseguente riduzione della durata e potenziali problemi di affidabilità.
• Dimensioni fisiche: i potenziometri, in particolare quelli rotativi e a scorrimento, possono essere relativamente grandi e richiedere spazio significativo sui circuiti stampati o nei dispositivi elettronici, il che può rappresentare una limitazione nei progetti compatti o miniaturizzati.
• Precisione limitata: sebbene i potenziometri offrano una resistenza regolabile, la loro precisione può essere limitata rispetto ai componenti digitali o programmabili, soprattutto nelle applicazioni ad alta precisione in cui sono richieste regolazioni fini.
• Rumore e interferenze di segnale: i potenziometri meccanici possono introdurre rumore e interferenze di segnale a causa del movimento del contatto con l’elemento resistivo, che possono influenzare le prestazioni e la qualità dell’audio e dei circuiti elettronici sensibili.
• Sensibilità alla temperatura e all’ambiente: le prestazioni dei potenziometri possono essere influenzate dalle variazioni di temperatura e dalle condizioni ambientali, portando a una potenziale deriva e instabilità dei valori di resistenza nel tempo.
• Durata limitata: i potenziometri meccanici hanno una durata operativa limitata, soprattutto se utilizzati per regolazioni frequenti, e potrebbero richiedere sostituzione o manutenzione nel tempo.

Un’attenta selezione e considerazioni di progettazione adeguate sono essenziali per mitigare questi inconvenienti e ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità dei potenziometri nelle applicazioni elettroniche.

Il potenziometro in breve

Il potenziometro è un trasduttore elettromeccanico che fornisce in uscita una tensione che dipende dalla posizione di un contatto mobile rispetto ad un elemento resistivo stazionario. Il potenziometro serve come partitore di tensione ovvero fornisce una tensione che è una frazione di quella in ingresso dipendentemente dalla posizione in cui si trova l’elemento mobile. I potenziometri sono componenti versatili che permettono il controllo della tensione nei circuiti elettronici tramite la regolazione di una resistenza. Sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni per il controllo manuale, la calibrazione e la regolazione dei parametri elettrici.