Com a disponibilidade cada vez maior de dispositivos sensores de posição avançados, a velha tecnologia do potenciômetro pode parecer superada para muitos, devendo ser totalmente abandonada. No entanto, não é isso que ocorre. A tecnologia dos potenciômetros também evoluiu e apesar desses dispositivos serem antigos, tipos que incorporam novas tecnologias podem ser extremamente interessantes em muitas aplicações. Veja neste artigo porque os profissionais devem pensar também nesses dispositivos quando precisarem de um bom sensor de posição.
Os potenciômetros têm sido usados como sensores de posição há mais de cem anos. Mas foram nos últimos anos que novas tecnologias foram incorporadas a estes sensores, melhorando sua confiabilidade e também seu desempenho. Isso torna esses dispositivos ainda uma boa solução para problemas de sensoriamento. No entanto, para saber escolher um potenciômetro como sensor de posição é preciso conhecer os novos tipos e o que devemos observar nas suas características.
Este artigo serve de orientação para os profissionais que precisam de um sensor de posição e pretendem incluir esta solução tradicional na sua possível relação de escolhas.
Potenciômetros – Ainda uma solução importante
Diferentemente do que muitos podem pensar, a existência de sensores de posição com tecnologias avançadas como os LVDTs e encoders não fez com que o uso dos potenciômetros desaparecesse. Encontramos este dispositivo sensor em máquinas industriais, satélites, mísseis, robôs e em muitos sistemas atuais onde o monitoramento de posição se faz necessário.
O princípio de funcionamento de um potenciômetro comum é bem conhecido de todos. O dispositivo possui um eixo que atua sobre um elemento resistivo que tanto pode ser de carbono como fio de nicromo. O elemento de carbono ou nicromo tem suas extremidades ligadas a dois terminais e o cursor a um terceiro terminal central, conforme mostra a figura 1.
Na aplicação normal, um dos terminais do elemento resistivo é ligado a uma fonte de tensão e outro à terra. Quando o cursor se move sobre o elemento resistivo ao se girar o eixo, a tensão no seu terminal varia, conforme mostra a figura 2.
Assim, é possível estabelecer uma relação direta entre a posição do eixo (ângulo de giro) e a tensão no terminal do cursor, que pode ser considerado terminal de saída.
Em eletrônica é comum que as curvas de correspondência entre a posição e o giro não sejam lineares, o que leva a tipos com respostas logarítmicas e antilogaritmicas e até mesmo especiais.
Na prática também temos tipos que podem sensoriar o deslocamento linear de um objeto ou peça, caso em que em lugar de termos um quase círculo para o elemento resistivo, ele consiste numa peça retilínea, conforme mostra a figura 3.
Entendendo as Especificações
Como qualquer componente eletrônico, para saber utilizar um potenciômetro é preciso saber interpretar suas especificações. Elas são de grande importância para podermos escolher de forma correta o tipo apropriado para a aplicação que temos em mente e ter a certeza se este tipo de solução é a melhor.
• Especificações mecânicas
Neste caso incluem-se os tipos de invólucros, configurações do eixo, percurso mecânico e acoplamentos. Os diferentes tipos disponíveis devem ser analisados de acordo com a montagem mecânica no sistema a ser sensoriado. O tipo de parada também deve ser analisado.
• Vída útil
A vida útil é medida pelo número de ciclos do sensor. Para os sensores potenciométricos a via útil gira em torno de 5 milhões de ciclos. No entanto, ela pode ser estendida com o uso de lubrificantes. Existem ainda tipos especiais que fazem uso de metais nobres nos cursores o que lhes dota de uma vida útil maior.
• Resistência
Esta é uma especificação elétrica importante, pois determina as características de entrada do circuito eletrônico em que o sensor vai ser utilizado. A resistência desses sensores deve ser especificada com uma tolerância que depende das aplicações. Tolerâncias da ordem de 1% são normais para este tipo de sensor.
• Tipo
O tipo depende do movimento que deve ser sensoriado. Os sensores potenciométricos podem ser rotativos ou lineares. Os rotativos possuem um eixo que ao ser acoplado a um sistema sensora seu ângulo de rotação. Os sensores lineares possuem um cursor que percorre em linha reta uma determinada distância sensoriando um deslocamento.
• Resolução
Podemos definir a resolução de um sensor potenciômetro como o deslocamento mínimo que pode ser traduzido numa variação da resistência ou tensão de saída que pode ser detectada. Como os potenciômetros são dispositivos lineares, diferentemente dos encoders, a resolução teórica é infinita. Graças a esta característica, podem ser usados amplificadores de alto ganho com melhor resposta de frequência o que é importante em certas aplicações. Outra vantagem importante é que ao ser ligado, o potenciômetro sabe qual é a sua posição não precisando ser ressetado (voltar a zero), como é o caso de sensores incrementais de posição.
• Linearidade
A linearidade pode ser dada através do desvio máximo entre o valor da posição sensoriado e o valor real, através de uma porcentagem ou através de um gráfico, como o da figura 4.
Esse gráfico mostra os desvios entre a posição real sensoriada e a posição apresentada pelo sensor.
• Carga
Um divisor de tensão, como o sensor potenciômetro na configuração normal, só fornece uma tensão real que corresponde a sua posição se não estiver ligado a nada, ou seja, na operação em circuito aberto, conforme mostra a figura 5(a).
No entanto, quando ligamos a saída deste sensor a um circuito que processe seu sinal, um amplificador operacional, por exemplo, o circuito é carregado e a tensão medida se altera, conforme mostra a figura 5(b).
(a) A saída de um sensor sem carregar na posição central para um circuito de 12 V
(b) O mesmo sensor usado num circuito com uma resistência de entrada de 10k (R3) que o carrega, alterando a tensão obtida. (simulações feitas no NI Multisim 11, da National Instruments (*)
Isso significa que o sensor deve ser escolhido de acordo com o circuito de entrada que deve ter uma resistência de entrada que não afete a precisão da medida. Amplificadores para instrumentação com entradas de muitos megohms são os ideais.
• Ruído
O deslizar do cursor sobre o elemento resistivo de um sensor é uma fonte de ruído. Todos que sofrem com o desagradável ruído quando aumentamos ou diminuímos o volume de um equipamento de som ou rádio de carro sabem disso. No caso dos sensores, o ruído pode induzir o circuito que processa o sinal a falsas indicações e se ele estiver acoplado a um sistema que tenha um acionamento automático baseado em suas informações, pode ocorrer o acionamento errático. Existem normas para os sensores deste tipo, as quais devem ser consultadas no caso de uma aplicação mais crítica.
• Dissipação
Ao ser aplicada uma tensão no sensor para sua alimentação circula uma corrente. O produto dessa tensão pela corrente significa uma potência que é convertida em calor. Deve-se verificar se nas condições de operação do sensor ele pode dissipar a potência desenvolvida.
• Ambiente
Em determinados casos o sensor deve operar em condições ambientes adversas que incluem baixa ou alta temperatura, gases, poluição, etc. Deve-se escolher o tipo que possa suportar estas condições. Também existem os casos em que as condições adversas são de natureza mecânica como choques e vibrações.
Comparando com Outras Tecnologias
As outras tecnologias utilizadas no sensoriamento de posição, que não precisam ser explicadas são a dos encoders e dos LVDT (linear variable differential transformer). Podemos comparar os potenciômetros com esses dois tipos de sensores levando em conta diversas características:
a) Custo
• Potenciômetro – baixo
• LVDT – médio ou alto
• Encoder – médio ou alto
b) Recuperação em caso de corte de energia
• Potenciômetro – imediata, sem necessidade de ressetar
• LVDT – imediata, sem necessidade de ressetar
• Encoder – depende de reset, o sistema precisa voltar à posição inicial
c) Linearidade
• Potenciômetro - <1%
• LVDT- depende das espiras
• Encoder – não especificada
d) Resolução
• Potenciômetro – infinita
• LVDT – Limitada pelo circuito condicionador de ruído
• Encoder – depende do número de passos – limitada pelo tamanho
e) Consumo
• Potenciômetro – baixo
• LVDT – médio a alto
• Depende do tamanho e do circuito
f) Vida útil
• Potenciômetro - > 5 milhões de ciclos
• LVDT - > 10 milhões de ciclos
• Encoder - > 10 milhões de ciclos
É claro que estas características dependem de tipo para tipo e da aplicação, mas servem como um parâmetro médio para escolha.
Conclusão
Os potenciômetros ainda devem ser considerados como solução para muitos problemas de sensoriamento de posição. Antes de fazer uma opção, em caso de dúvidas, sugerimos consultar os engenheiros de seu fornecedor de sensores, pois eles podem ser úteis para lhe fornecer informações adicionais para seus projetos.
