- Leonardo Ritter; Drano Rauteon
Cap. 1.3. Os componentes: Reostato (Potenciômetro e Trimpot)
Atualizado: 24 de jan.
O tema deste artigo é o reostato, ou melhor dizendo, o potenciômetro!
Um potenciômetro ou um trimpot é um resistor com resistência variável entre um valor mínimo e máximo. Veja a simbologia destes componentes:
Tabela 1
No que se refere aos reostatos, existem duas classes:
Variação Contínua
O reostato de variação contínua, comumente denominado potenciômetro ou trimpot, apresenta uma resistência que pode assumir qualquer valor entre zero e um dado o valor máximo específico.
Variação Descontínua
O reostato de variação descontínua somente pode assumir determinados valores decorrentes, isto pois o modelo se baseia num banco de resistores onde agrupamentos deste componente podem ser ativados e desativados de acordo com a necessidade.
Neste texto iremos abordar apenas o funcionamento e algumas aplicações dos reostatos de variação contínua, ou seja, os potenciômetros e trimpots.
Existem dois tipos principais de potenciômetros: Os lineares e os logarítmicos. Dentro de cada tipo há algumas variações e peculiaridades que vão ser explicadas neste artigo.
POTENCIÔMETRO LOGARÍTMICO e LINEAR
A imagem abaixo é de um potenciômetro linear. Mais abaixo você verá o diagrama interno dele.
Imagem 1
Um potenciômetro consiste num material com determinada resistência elétrica entre dois terminais fixos e um ponteiro acoplado a um eixo. O ponteiro 'drena' a corrente para o terminal variável. Ao girar o eixo, o ponteiro se movimenta e desliza sobre o material resistivo. Quanto mais longe o ponteiro ficar da 'entrada de energia', maior vai ser a resistência, já que a corrente elétrica terá que percorrer uma distância maior do material resistivo para chegar até o outro polo (o do ponteiro / cursor). Ao chegar no fim do material com o ponteiro, se atinge a resistência máxima que o componente pode oferecer. Por isso é chamado de potenciômetro linear: a resistência aumenta ou diminui dependendo da movimentação do eixo.
Gráfico 1
A diferença para o potenciômetro logarítmico é que a variação de resistência elétrica se dá de forma mais "exponencial", traduzindo em termos leigos. Veja o gráfico abaixo para entender:
Gráfico 2
Observe que também existe o potenciômetro logarítmico reverso.
O potenciômetro logarítmico é muito utilizado em aplicações de áudio, principalmente envolvendo a regulagem de intensidade sonora, pois este componente acompanha de maneira mais eficiente a curva de percepção do som do ouvido humano. Nosso ouvido consegue perceber melhor a variação de intensidade sonora em valores baixos. Conforme a intensidade aumenta, nós vamos deixando de notar com mais precisão essa variação. Para nossos ouvidos, a variação da intensidade sonora feita através de um potenciômetro logarítmico soa linear.
CURIOSIDADE: Potenciômetros lineares são identificados pela letra "B" impressa em algum local de sua carcaça. Já os potenciômetros logarítmicos são identificados pela letra "A" (ou Audio Taper) impressa na carcaça.
Um exemplo de aplicação de um potenciômetro logarítmico é um amplificador de áudio, como já citado anteriormente. Para aumentar ou diminuir a intensidade do som, giramos um botão no aparelho de som e é nesse botão que há o potenciômetro. Aparelhos de áudio também podem utilizar um potenciômetro linear, tudo depende do projeto, categoria e custo do aparelho.
CURIOSIDADE: Alguns aparelhos de som atuais podem não utilizar mais um potenciômetro pra regular a intensidade sonora. Aparelhos modernos podem fazer uso de um sistema digital (que é mais preciso), composto por um encoder rotativo.
Um encoder é um sistema eletromecânico que produz sinal pulsativo a partir do movimento rotacional de um eixo. Também pode ser chamado de transdutor rotativo ou transdutor angular. De forma muito sucinta, ao girar o eixo, uma sequência de pulsos é mandada para um microcontrolador.
No caso de um aparelho de som, este microcontrolador vai ativar e desativar "bancos resistivos" que regulam a intensidade sonora de acordo com o movimento de eixo do encoder. Este componente pode ser mecânico ou infravermelho e pode ser do tipo incremental / relativo (indicam a mudança de posição e não a posição real) ou absoluto (indicam a posição real). Um exemplo de uso de encoder mecânico incremental é no botão scroll dos mouses de computador. Para saber mais sobre este componente, CLIQUE AQUI!
Veja abaixo o diagrama de um potenciômetro linear:
Diagrama 1 - Potenciômetro linear
No Diagrama 1 eu usei a palavra "Resistência" de forma genérica para definir a pista resistiva por onde o cursor corre. Num potenciômetro linear, esta pista resistiva possui a mesma espessura de ponta a ponta. Num potenciômetro logarítmico, essa pista resistiva possui uma variação em sua espessura ao longo de sua extensão, fazendo com que sua resistência se altere de forma não-linear, que representada em um gráfico (Gráfico 2) forma uma curva logarítmica.
Instrumentos musicais de cordas e eletrônicos (guitarra, baixo e violão elétrico, por exemplo) podem ter um pequeno quadro de 'regulagens' no corpo do instrumento. Entre estas regulagens podem estar a intensidade sonora e tonalidade, e ambas podem ser feitas com potenciômetros. A imagem abaixo é da guitarra do Brian May, membro da banda Queen, e nela podemos ver os botões giratórios denominados "volume" e "tono":
Diagrama 2 - Guitarra "Red Special", criada pelo guitarrista Brian May, do Queen
CURIOSIDADE: Um controle de Tom (Graves e Agudos) pode ser construído de forma muito simples com um capacitor em paralelo ao alto-falante. Com isso, os sinais de alta frequência (som grave) não chegariam ao alto-falante, restando apenas os sinais de baixa frequência (som agudo). Colocando um potenciômetro ligado neste capacitor, poderíamos regular o Tom. Obviamente as características do capacitor e do potenciômetro devem ser levadas em conta pro funcionamento perfeito do controle. Este simples controle de tom com um potenciômetro e um capacitor configura-se um filtro passa-baixa. Este é um sistema muito utilizado nas guitarras.
Chuveiros eletrônicos normalmente possuem um potenciômetro para a regulagem mais precisa da potência. Um chuveiro elétrico ou torneira elétrica comum possui apenas três regulagens de temperatura: "Desligado" (A água passa e não é aquecida), "Verão" ou "Morno" (onde apenas um resistor de maior resistência é ativado) e "Inverno" ou "Quente" (onde um resistor de valor mais baixo é ativado). Um chuveiro eletrônico se utiliza de um potenciômetro , uma DIAC, Um TRIAC e um circuito RC (Resistor-Capacitor) pra controlar a alimentação do resistor de aquecimento da água. Veja abaixo um esquema elétrico genérico de um chuveiro eletrônico:
Diagrama 3 - Circuito genérico de um chuveiro eletrônico
O TRIAC (Triode Alternating Current) é um componente eletrônico aplicado em circuitos de corrente alternada para controlar altas potências. Ele pertence à família dos Tiristores. Ele terá detalhamento mais aprofundado nos artigos sobre semicondutores aqui do blog, assim como o DIAC (Diode Alternating Current), outro dispositivo semicondutor. O DIAC é um diodo para corrente alternada que só conduz corrente elétrica quando a tensão de disparo é atingida.
O uso do potenciômetro também é comum em motores a combustão utilizados em veículos. Seu uso principal se dá no monitoramento do pedal do acelerador, seja ele ligado a um cabo ou 100% eletrônico.
Quando você pisa no acelerador do seu carro, uma válvula mecânica regula a entrada de ar pelo coletor de admissão do motor, enquanto o computador da injeção eletrônica se utiliza de sensores para controlar o funcionamento das velas de ignição e a injeção do combustível.
Essa válvula mecânica está ligada ao pedal do acelerador por um cabo de aço. Essa válvula é chamada de TBI (Throttle Body Injection). O eixo da válvula possui em uma de suas extremidades um potenciômetro linear, portanto, conforme você pisa no pedal a válvula vai se abrindo, aumentando a vasão do ar e diminuindo a resistência no potenciômetro. Este potenciômetro é conhecido como TPS (Throttle Position Sensor – Sensor de Posição do TBI). Veja abaixo a imagem de um TPS da marca Magneti Marelli utilizado nos motores Renault K4M:
Imagem 2 - Potenciômetro do TBI de um motor K4M. O TBI é acionado por cabo.
Como o TPS está diretamente atrelado ao movimento da válvula de ar do TBI, o computador da injeção usa o sinal fornecido por ele, juntamente com o sinal do sensor de temperatura do ar, do MAP e do MAF (quando disponível) para 'medir' a quantidade de ar admitida pelo motor. Com isso é possível controlar a injeção de combustível e o ponto de ignição. Obviamente que o sensor de rotação, sensor de fase (quando disponível), Sonda Lâmbda, sensor de temperatura do motor e outros sensores também são necessários para que ocorra a injeção de combustível e ponto de ignição da maneira mais precisa possível.
Quando o motor está ligado e o pedal do acelerador não é acionado pelo motorista, o TBI se fecha e o potenciômetro passa a marcar cerca de 0,5 Volts. Neste valor de tensão elétrica, o computador da injeção aciona o atuador de marcha lenta, um pequeno motor elétrico que regula a passagem de ar por um canal paralelo ao TBI, e este ar passante é o necessário para o motor permanecer ligado numa rotação mínima, isto é, na marcha lenta. Quando o freio motor está acionado, há um corte na injeção de combustível e o motor passa a funcionar com vácuo (sem respiração). Quando o pedal do acelerador é pressionado ao máximo, o TBI se abre completamente, dando a máxima vasão de ar e a mínima resistência elétrica do TPS, elevando a tensão para cerca de 4,5 Volts.
Nos sistemas mais modernos, o uso de um atuador de marcha lenta em paralelo à esta válvula mecânica é dispensável, pois o TBI é eletrônico, ou seja, é acionado por um pequeno motor elétrico. A abertura e fechamento do TBI continua sendo controlada pelo pedal do acelerador, porém o pedal está ligado à dois potenciômetros lineares, dispensando também o uso do cabo de aço. Neste sistema, o deslocamento do pedal do acelerador movimenta o eixo onde estão os dois reostatos. Quando o pedal não está pressionado, o potenciômetro "A" costuma marcar 0.5 Volts e o potenciômetro "B" marca 0,25 Volts. Quando o pedal está pressionado ao máximo, o potenciômetro "A" marca cerca de 4,5 Volts e o "B" marca cerca de 2,5 Volts.
Existe um sistema hibrido, onde há tanto o cabo de aço quanto o TBI eletrônico. Este sistema pode ser visto em alguns Renault Clio 2 e Scénic 1, onde o pedal do acelerador está ligado a um cabo de aço, e este é ligado a uma espécie de carretel ao lado do motor. Esta espécie de carretel tem na ponta de seu eixo os dois potenciômetros. Conforme o motorista pisa no pedal, puxa o cabo de aço, desenrola o carretel e os potenciômetros vão mudando a resistência elétrica, alterando assim o sinal mandado para o computador. Assim como no sistema puramente eletrônico, o sinal recebido pelo computador da injeção é utilizado para acionar o atuador, que vai abrindo ou fechando o TBI.
Um TBI Eletrônico também possui um sensor TPS embutido. Este sensor TPS, assim como o pedal do acelerador costuma utilizar dois potenciômetros.
CURIOSIDADE: O pedal do acelerador eletrônico também é chamado de Drive-By-Wire. No caso dos pedais eletrônicos, há uma placa de circuito impresso com as pistas resistivas. Com o passar dos anos, seu desgaste acontece e é necessário a troca do componente, porém muitos não sabem que é possível trocar apenas a placa (também conhecida como “cartão”) e não necessariamente o conjunto inteiro. As montadoras costumam disponibilizar para reposição o pedal completo, porém no mercado paralelo existem fabricantes que produzem apenas o cartão.
Veja abaixo um cartão com as pistas resistivas de um pedal de acelerador:
Imagem 3 - Cartão de um pedal desmontado
CURIOSIDADE: O pedal de acelerador eletrônico possui dois potenciômetros, e via de regra um possui a metade da resistência do outro. Por exemplo, se um potenciômetro está em 0,5 Volts, o outro estará com 0,25 Volts. Isto ocorre para aumentar a precisão na leitura do sinal por parte do computador da injeção. O mesmo ocorre com os TBIs eletrônicos, que possuem um TPS com dois potenciômetros. Há algumas exceções, onde ambos os potenciômetros possuem a mesma resistência elétrica. Vale lembrar que tanto o potenciômetro do pedal quanto o TPS possuem uma variação de resistência linear.
Sendo um sistema com potenciômetro duplo, o conector elétrico costuma ter 6 pinos (dois para alimentação de 5V, dois polos negativos e dois de saída de sinal). Em alguns casos, o componente pode ter 5 pinos (apenas um polo negativo que é comum para os dois potenciômetros) e em outros casos pode possuir apenas 4 fios.
CURIOSIDADE: No caso do TBI eletrônico, a rotação do motorzinho elétrico que o controla é relativamente alta, e o fluxo de ar deve ser controlado com uma precisão muito grande, sendo necessário uma caixa de redução entre o atuador e a válvula de ar. No caso do sistema a cabo, há uma alavanca que converte o movimento de tração do cabo para o movimento rotacional da válvula de ar. Em ambos os TBIs existe uma mola torcional de retorno, pra quando o pedal do acelerador não for pressionado, a válvula retornar para a posição de repouso.
O TBI também é conhecido popularmente como “Corpo de Borboleta”. É válido lembrar que em muitos casos o TBI eletrônico é controlado por um atuador composto por um motor de passo e não um motor de corrente contínua. O motor de passo proporciona mais precisão na abertura e fechamento da válvula, e consequentemente no fluxo de ar que entra no motor.
Veja a imagem de um TBI eletrônico abaixo:
Imagem 4 - TBI eletrônico. No sistema acionado por cabo a válvula de ar é igual, mudando apenas a parte externa (alavanca para o cabo e um TPS).
CURIOSIDADE: Como já foi mencionado acima, existem também os potenciômetros duplos: dois resistores variáveis controlados pelo mesmo eixo. Além de sua utilização na mecânica automotiva, ele também pode ser utilizado em circuitos de áudio, como por exemplo um potenciômetro que tenha que controlar a intensidade de 2 canais de áudio. Veja a imagem de um potenciômetro duplo 'comum' abaixo:
Imagem 5
Outro uso para o potenciômetro em automóveis é na boia do tanque de combustível. Basicamente, um potenciômetro linear com uma haste metálica fixa em seu eixo. Na ponta desta haste uma pequena boia. Veja a imagem abaixo:
Imagem 6 - O funcionamento da boia de combustível
A resistência elétrica cai ao valor mínimo quando o tanque está cheio e sobe ao valor máximo quando o tanque está vazio.
A precisão deste método de medição não é muito grande, e por este motivo que ao encher o tanque é normal que o ponteiro do painel demore um pouco pra começar a descer, da mesma forma que quando o ponteiro marca o final do combustível ainda haverá alguns litros. Isto ocorre devido à limitação de movimento do eixo, isto é, a boia não encosta na parte superior nem inferior do tanque.
De maneira sucinta, o nível de combustível faz com que uma alavanca montada em um eixo se desloque e altere a resistência elétrica. A variação de tensão elétrica gerada pelo potenciômetro no circuito será identificada por um microcontrolador, que por sua vez enviará informações ao controlador dos manômetros (ou display LCD em veículos mais novos) do painel de instrumentos.
Neste tópico são mostrados outras variantes dos potenciômetros...
POTENCIÔMETRO MULTIVOLTAS
Os potenciômetros multivoltas não são tão comuns! Em geral eles possuem variação linear de resistência. Veja a imagem abaixo:
Imagem 7
A diferença entre o potenciômetro comum descrito anteriormente e um potenciômetro multivolta é que o segundo permite um ajuste mais preciso da resistência elétrica. Um potenciômetro multivolta também é maior do que o modelo comum e possui um eixo sem fim (do tipo helicoidal). Veja o diagrama abaixo.
Diagrama 4 - Potenciômetro multivoltas
Compare o Diagrama 2 com o Diagrama 1 para ver as diferenças entre o modelo linear e o modelo multivoltas.
POTENCIÔMETRO DESLIZANTE
Outro tipo de potenciômetro é o deslizante, que em geral tem variação linear de resistência. Veja a imagem abaixo:
Imagem 8
Seu uso é muito comum em mesas de som de estúdios, servindo para controles diversos e aprimorados do som.
Imagem 9 - Parte de uma mesa de som de estúdio com potenciômetros deslizantes.
Outro uso comum destes potenciômetros deslizantes é em teclados arranjadores e teclados sintetizadores de som. Veja abaixo um aparelho destes:
Imagem 10 - Um sintetizador Roland SH-101. Perceba os potenciômetros deslizantes em paralelo as teclas
OBSERVAÇÃO: Quando digo "entrada de energia", me refiro genericamente ao fluxo da corrente elétrica, que vai do polo negativo para o positivo. Lembrando que o resistor / potenciômetro não possui polaridade definida.
Veja o diagrama do potenciômetro deslizante abaixo:
Diagrama 5
RÉGUA POTENCIOMÉTRICA
Semelhante ao potenciômetro deslizante, tratado no tópico anterior, a régua potenciométrica possui uma barra resistiva com variação linear e uma haste para se alterar o valor da resistência. A grande diferença é que estas 'réguas resistivas' conseguem medir com precisão um deslocamento, tanto que são identificadas de acordo com intervalo de comprimento (dado em milímetros) que conseguem aferir. A estrutura deste componente segue alguns padrões industriais, como podemos ver na figura abaixo:
Folder 1 - Especs. técnicas de réguas potenciométricas
Na inspeção veícular, para a verificação do alinhamento do(s) eixo(s) direcional(is) de um veículo, faz-se necessário o uso de uma 'prancha' que possui um grau de deslocamento para os lados. Esta prancha está conectada em uma régua potenciométrica (ou, em alguns casos um potenciômetro deslizante). Ao passar com o veículo por cima, o desalinhamento no eixo empurra esta prancha para os lados, alterando a resistência elétrica no potenciômetro. O sinal de saída será lido por um microcontrolador e será usado para averiguar o quão desalinhado está o eixo em questão. Veja a imagem do tal equipamento de inspeção:
Imagem 11 - Detecção de alinhamento do eixo direcional feito por potenciômetro deslizante
Ao mover a alavanca, o terminal variável desliza sobre o material que oferece resistência a passagem de energia. Quanto mais longe do terminal fixo de 'entrada de energia', maior é a resistência. É um componente que se assemelha ao encoder, no entanto, não é digital, mas sim analógico.
POTENCIÔMETRO COM INTERRUPTOR EMBUTIDO
A imagem abaixo é de um potenciômetro com chave. Este pode ter variação linear ou logarítmica da resistência, tudo depende da aplicação.
Imagem 12
Potenciômetros com chave liga e desliga embutidos também são comuns. Podem ser utilizados em rádios, por exemplo. Quando move-se o eixo até o nível máximo de resistência, o próprio cursor pressiona o interruptor que desliga o aparelho, já quando diminui-se a resistência, o aparelho é ligado imediatamente. Veja o diagrama de um potenciômetro com interruptor abaixo:
Diagrama 6
TRIMPOTS
Agora vamos falar um pouco sobre os trimpots. Eles são potenciômetros em miniatura e normalmente ficam inacessíveis ao usuário, e em geral só servem para fazer calibrações quando se faz manutenção no circuito. Podem ser encontrados tanto trimpots comuns quanto trimpots multivotas, e ambos, em geral, lineares. Veja abaixo a imagem de dois trimpots.
Imagem 13
Imagem 14
Potenciômetros e trimpots já vem com a resistência escrita no corpo, portanto, não há tabelas. Outra forma de saber a resistência é utilizando um multímetro com escala de resistência.
Leitores de CD / DVD / BluRay podem contar com trimpots de calibragem na cabeça de leitura e gravação. São extremamente pequenos e podem ser vistos na imagem abaixo:
Imagem 15 - Cabeça de leitura e gravação de uma unidade de mídia óptica
Para saber mais sobre mídias ópticas, comece lendo o texto "Óptica - CD / DVD / BluRay - Parte 1".
Existem também potenciômetros miniaturizados empregados em gamepads de videogames. Eles são usados em alavancas analógicas de controle que podem se movimentar para todos os lados. Para isto é utilizado um trimpot no eixo X e outro trimpot no eixo Y (lembra do plano cartesiano estudado no ensino médio? Utilize-o como referência). A utilização destes potenciômetros miniaturizados se deve a redução de massa e área ocupada, isto é, redução máxima do tamanho do circuito, coisa que um potenciômetro linear de tamanho normal não conseguiria.
Conforme o usuário movimenta a alavanca para frente e para trás, pra a esquerda e pra a direita, a resistência elétrica vai variando nos trimpots. Um chip controlador monitora a variação de tensão elétrica e pra cada posição da alavanca uma coordenada é mandada do periférico para o videogame.
Este mecanismo analógico de identificação de posição da alavanca é popularmente conhecido entre os usuários como "o analógico" do gamepad. Veja abaixo imagens do analógico do gamepad utilizado no PlayStation 4:
Imagem 16
Joysticks antigos também utilizavam deste mecanismo com potenciômetros. Existiu até uma interface denominada "GAME Port", com um conector DA15 onde haviam 4 linhas para alimentar 4 potenciômetros (duas alavancas, cada uma com seu eixo X e seu eixo Y). Você pode saber o funcionamento do controlador GAME Port 'de cabo a rabo' CLICANDO AQUI! Vai ser de grande valia pra entender um pouco mais dos analógicos de gamepads atuais!
O resistor que há dentro de um potenciômetro é feito de fios de Carbono ou Nicromo (Níquel+Cromo). Esses fios são arranjados em bobinas em forma de anel, por onde o cursor (ponteiro) desliza sobre. Há também os potenciômetros de cermet (80% de cerâmica e 20% de metal). Os potenciômetros deslizantes utilizam os mesmos materiais.
Potenciômetros de nicromo suportam uma quantidade de corrente maior. Como já foi dito, ao limitar a corrente, o resistor gera calor, ou seja, uma parte da energia é transformada em calor (efeito Joule), no entanto, potenciômetros de nicromo suportam temperatura um pouco mais altas e tem uma maior potência. Observe a tabela abaixo:
Tabela 2
Por exemplo, um fio de nicromo com 0,07 mm de diâmetro, 0,05 mm² de secção, 0,04 gramas por metro, possui um resistência de 224 Ohms por metro e a 200 graus célsius conduz 0,11 Ampere. Isso é para você ter uma ideia do motivo para se utilizar o nicromo em resistores.
Para saber mais sobre o efeito Joule, clique aqui ou clique aqui!
É notável a importância dos potenciômetros, seja na criação de músicas ou na reprodução delas, seja em calibragens finas de equipamentos diversos e até controles de videogames.
Se restou alguma dúvida, é só mandar um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com ou mande uma mensagem pelo Facebook. Se você gostou, é só curtir e compartilhar.
FONTES e CRÉDITOS:
Desenhos e Imagens: Leonardo Ritter
Referências: Instituto Newton C. Braga; Canal da Peça; Doutor IE; Carro de Garagem; Mundo da Elétrica; Portal Eletricista; Universidade Federal de Santa Catarina, Burgos Eletrônica; Blog Santo Angelo; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 23 de Janeiro de 2023.