Você já ouviu aquele ruído indesejável ao girar o botão que aumenta e diminui o volume de um aparelho de som? Por se tratar de um componente mecânico, muitas partículas se acumulam na pista de um potenciômetro analógico, comprometendo a vida útil desse componente e aumentando a necessidade de manutenções periódicas. Em um mundo onde cada vez mais a convergência digital transforma tudo em zeros e uns, apresentamos neste artigo os potenciômetros digitais, componentes que substituem os analógicos com grandes vantagens.
Basicamente, potenciômetros são resistores com uma derivação central. Assim, a resistência entre seus dois terminais extremos é fixa em seu valor nominal (10 k? - por exemplo). Já o valor de resistência entre uma das extremidades e a derivação central dependerá do posicionamento do cursor. Cria-se, então, uma estrutura que pode ser compreendida como dois resistores em série, conforme mostra a figura 1.
Geralmente são utilizados de duas maneiras: como reostato ou como potenciômetro.
• Reostato: o terminal central é ligado a uma das extremidades do dispositivo. Com isso ele passa atuar como um resistor variável, como ilustra a figura 2;
• Potenciômetro: nesta configuração os três terminais estão livres e podem ser utilizados como um divisor de tensão, fornecendo uma tensão de saída proporcional a tensão de entrada e a posição do cursor, veja a figura 3.
Potenciômetros analógicos
Um potenciômetro mecânico é composto de uma pista de material resistivo (filme carbono, fio de níquel, cerâmica com metal [cermet] etc.) por onde um eixo faz deslizar uma terminação. Este contato com a pista varia o valor da resistência entre os terminais extremos e o terminal central, como pode ser visto na figura 4. A variação de resistência é proporcional ao deslocamento do eixo do potenciômetro.
A precisão de funcionamento do potenciômetro mecânico está diretamente ligada ao tipo de material que é utilizado na construção da pista e às características mecânicas de contato entre o eixo central e a pista. Alguns inclusive utilizam pistas múltiplas, de modo a melhorar a área de contato e diminuir as chances de falhas na medida. Claro que isso eleva o custo de produção.
Se o encapsulamento onde está o contato entre a pista e o eixo tem aberturas (caso da maioria dos potenciômetros), partículas de poeira começam a se acumular na pista, o que faz a resistência de contato entre o eixo e a pista aumentar. Isto afeta o valor de resistência obtido, diminuindo a qualidade do dispositivo, além de gerar ruídos indesejáveis no sinal que sai do potenciômetro.
Potenciômetros digitais
Basicamente, um potenciômetro digital é composto por um arranjo de resistores em série selecionáveis por uma lógica de controle. Assim, a resistência entre todos os elementos em série será o valor nominal do potenciômetro.
Já a função do eixo, que selecionará uma posição de resistência entre o início e o fim da série, é feita por uma lógica de controle binária, com passos discretos definidos. Esta é a principal diferença entre os potenciômetros analógicos e digitais: enquanto no analógico é possível obter infinitos valores de resistência entre o eixo e uma das extremidades, nos digitais apenas uma quantidade fixa e pré-definida de valores pode ser obtida (geralmente 256 valores).
Outra diferença é que se no analógico o ajuste da posição do cursor é feito manualmente pelo usuário, no digital um valor binário deve ser inserido neste componente e este valor fará com que o cursor se desloque internamente, por meio da comutação de chaves digitais. A comunicação entre o dispositivo digital e o usuário é geralmente feita através de circuitos de controle, muitas vezes microcontrolados.
Dois tipos de acionamentos básicos são usados nestes dispositivos: circuitos contadores up e down e gravação de palavras binárias via interface serial. O primeiro modo é o mais antigo, simples e fácil de utilizar, pois basta levar o nível de tensão em um pino do chip para nível lógico 1 que os passos serão incrementados. Levar este mesmo pino para nível lógico zero fará com que os passos sejam decrementados.
O segundo modo requer que o valor do passo que se deseja ajustar seja gravado em um registrador interno para que este valor seja implementado ao potenciômetro.
Pode-se perceber que o primeiro modo só pode incrementar valores sequenciais. Já segundo o modo de acionamento permite que se pule de qualquer passo para qualquer passo, a qualquer momento, basta inserir o valor desejado.
Principais diferenças entre os analógicos e os digitais
• MTBF (Mean Time Between Failure): como os movimentos mecânicos causam desgastes nas partes móveis dos potenciômetros analógicos, o tempo de vida útil do componente, antes de apresentarem falhas, é muito menor que nos dispositivos digitais;
• Resistência nominal: os valores típicos de resistência nominal disponível para os dispositivos digitais são 1kohms, 10 kohms, 50 kohms e 100 kohms. Valores de resistência menores que 1 kohms são difíceis de conseguir em pastilhas de silício. Valores maiores que 100 kohms são fáceis de conseguir, mas requerem grande área de material, o que torna os dispositivos mais caros. Já os dispositivos analógicos têm diversos valores entre 10 ohms e 2 Mohms. Neste item, os dispositivos analógicos levam certa vantagem devido a grande variedade de valores disponíveis no mercado.
• Vibrações e batidas: potenciômetros analógicos montados em máquinas que tenham grandes vibrações ou sofram impactos podem ter um deslocamento das partes mecânicas e, por consequência, variar o valor de resistência obtido, o que é impossível de acontecer nos dispositivos digitais, uma vez que não existem partes mecânicas móveis;
• Tolerância: devido a mecânica de sua fabricação, os dispositivos digitais têm tolerância entre ± 20 % e ± 30 %. Já os dispositivos analógicos têm o valor de tolerância determinado pelo tipo de material utilizado para construir a pista, tipicamente da ordem de ± 10 % e ± 20 %;
• Variação da resistência de acordo com o ambiente: variações de temperatura e umidade afetam o valor da resistência em potenciômetros analógicos. Já os dispositivos digitais, por não terem partes móveis expostas a estas variações são muito menos sensíveis, mantendo uma excelente precisão;
• Coeficiente de temperatura: é extremamente baixo tanto para os digitais quanto para os analógicos;
• Potência dissipada: os potenciômetros digitais, por terem seus resistores montados em um mesmo substrato de silício, podem dissipar uma potência muito menor do que os modelos analógicos. Os valores típicos são de até 0,5 W para o analógico e de 5,5 mW para o digital;
Modelos disponíveis no mercado
Diversos fabricantes de semicondutores já têm disponível uma grande quantidade de modelos de potenciômetros digitais. Alguns com vários dispositivos na mesma pastilha, outros com maior resolução, outros com memória de posições, etc. Vejamos alguns exemplos de cinco fabricantes.
Analog Devices
Seus dispositivos têm ajuste de posição feito por interface serial de três fios, podendo trabalhar facilmente em circuitos com microcontroladores. Trabalham alimentados com tensões de 2,7 a 5,5 V e quando desligados tem um consumo de corrente muito pequeno, inferior a 5 µA. Os detalhes são mostrados a seguir.
• AD5207: Dispositivo com 2 potenciômetros na mesma pastilha. Os valores comerciais disponíveis são de 10 k?, 50 k? e 100 k?. Utiliza um byte de 8 bits para o ajuste e, portanto, tem 256 posições disponíveis. O diagrama em blocos desta família é apresentado na figura 5.
• AD8400, AD8402 e AD8403: Têm dispositivos com 1, 2 ou 4 potenciômetros na mesma pastilha. Os valores comerciais disponíveis são de 1 kohms, 10 kohms, 50 kohms e 100 kohms. Utilizam um byte de 8 bits para o ajuste e, portanto, tem 256 posições disponíveis. O diagrama em blocos desta família é exibido na figura 6.
• AD5233: Dispositivo com 4 potenciômetros na mesma pastilha. Este é interessante por ter uma memória, com 11 bytes de 6 bits cada, que armazena valores de posição de cada potenciômetro, fornecendo assim a possibilidade de iniciar o funcionamento na mesma posição em que terminou. Os valores comerciais disponíveis são de 10 k?, 50 k? e 100 k?. Como utiliza um byte de 6 bits para o ajuste, tem apenas 64 posições disponíveis. O diagrama em blocos desta família é dado na figura 7.
Dallas Semiconductor
Seus dispositivos têm as mesmas características básicas dos produtos da Analog Devices, com exceção das tensões de alimentação, que são de 3 a 5 V. Os dispositivos mostrados utilizam um byte de 8 bits para o ajuste e, portanto, têm 256 posições disponíveis. Os detalhes são mostrados a seguir.
• DS1803: Dispositivo com 2 potenciômetros na mesma pastilha. Os valores comerciais disponíveis são de 10 k?, 50 k? e 100 k?. O diagrama em blocos desta família mostrado na figura 8.
• DS1267: Dispositivo com 2 potenciômetros na mesma pastilha. Os valores comerciais disponíveis são de 10 k?., 50 k? e 100 k?. O diagrama em blocos desta família é ilustrado na figura 9.
Microchip
• MCP41XXX e MCP42XXX: Dispositivos com 1 ou 2 potenciômetros na mesma pastilha. Os valores comerciais disponíveis são de 10 k?, 50 k? e 100 k?, O ajuste de posição é feito por interface serial de três fios. Utilizam um byte de 8 bits para o ajuste e, portanto, têm 256 posições disponíveis. Trabalham alimentados de 2,7 a 5,5V e, quando desligados, têm um consumo de corrente inferior a 1 µA. O diagrama em blocos desta família pode ser visto na figura 10.
Maxim
• MAX51 60 e MAX5161: Dispositivos com apenas 1 potenciômetro na mesma pastilha. Os valores comerciais disponíveis são de 50 k?, 100 k? e 200 k?. O ajuste de posição é feito através de um contador up/down. Utiliza um byte de 5 bits para o ajuste e, portanto, tem apenas 32 posições disponíveis. Trabalham alimentados de 2,7 a 5,5 V e quando desligados têm um consumo de corrente inferior a 100 nA. O diagrama em blocos desta família é apresentado na figura 11.
Xicor
• X9313: Dispositivos com apenas 1 potenciômetro na mesma pastilha. Este também tem uma memória que armazena o último valor de posição antes de desligar, fornecendo assim a possibilidade de iniciar o funcionamento na mesma posição em que terminou. Os valores comerciais disponíveis são de 1 kohms, 10 kohms, 50 kohms e 100 kohms. O ajuste de posição é feito através de um contador up/down. Utiliza um byte de 5 bits para o ajuste e, portanto, tem apenas 32 posições disponíveis. Trabalham alimentados de 3 a 5 V e. quando desligados, têm um consumo de corrente inferior a 500 µA. O diagrama em blocos desta família é exibido na figura 12.
Cálculo e ajuste dos valores das resistências
Qual valor assumirá o dispositivo ao ser ligado? Para responder essa pergunta devemos relembrar o esquema elétrico de um potenciômetro digital, mostrado na figura 13. A resistência entre os terminais A e B será sempre o valor nominal do dispositivo (geralmente 1 Kohms, 10 Kohms, 50 Kohms ou 100 Kohms. Já o valor de resistência entre o terminal central, W, e as extremidades dependerá do modelo de dispositivo que se está usando.
Aqueles que não têm memória interna, ao serem ligados irão para a posição central (passo 128 em uma escala com 256 posições) e permanecerão aí até serem ajustados para um novo valor. Os que possuem memória deslocarão o registrador para o valor referente à última posição utilizada.
O terminal central (wiper) geralmente apresenta um valor de resistência fixa, que deve ser incluído no cálculo. Para encontrar o valor da resistência utilizam-se as equações 1 e 2, montadas com base em um dispositivo que possui 256 posições, onde D é o valor a ser armazenado no registrador. A tabela 1 apresenta as resistências obtidas para os valores nominais mais comuns, considerando a resistência de contato (wiper) em 50 ? e 256 passos. Nesta tabela é mostrado também o valor central (posição 128), onde se inicia a maioria dos potenciômetros digitais.
Aplicações
As principais aplicações onde são largamente empregados os potenciômetros digitais vêm a seguir:
• Controle de volume: os novos equipamentos de áudio (MP3 players, CD players, midi systems, som automotivo, etc.) não possuem mais os antigos knobs de ajuste de volume. Tudo é feito através de chaves digitais. Algumas destas chaves já fazem uso dos potenciômetros digitais para controlar o volume de saída.
• Controle de contraste em LCD: olhe no monitor de LCD do seu computador. Encontrou os ajustes de contraste, brilho, cor, etc? Internamente, um potenciômetro digital faz a função de aumento ou diminuição de valores que serão ajustados em sua tela.
• Controle automático de ganho: vários circuitos eletrônicos necessitam de AGCs e estes são facilmente implementáveis através do uso de potenciômetros digitais.
• Filtros, atrasos e constantes de tempo programáveis: imagine reca-librar um filtro que foi desenvolvido para uma determinada frequência utilizando potenciômetros analógicos. Com os potenciômetros digitais os valores referentes a cada frequência podem ser armazenados em uma memória, e um simples toque de botão faz o ajuste de todo o circuito. O mesmo é válido para linhas de atraso e geradores de tensões constantes, utilizadas como referência
• Ajuste de tensão em fontes de alimentação: substituem os velhos potenciômetros analógicos na função de gerar uma referência para a tensão de saída das fontes de alimentação.
• Conversão programável de tensão para corrente: o ajuste do valor a ser convertido é armazenado em uma memória, e transferido para o potenciômetro quando a conversão se faz necessária.
• Calibração de sensores: por gerarem valores de resistência bem conhecidos, servem como elementos de calibração de sensores.
• Ajustes de ganho e offset em instrumentos: através do ajuste de remos até vocês, aqui nas páginas da sua resistência.
Conclusão
Visto que cada vez mais os equipamentos tendem a serem microcontrolados ou possuírem uma lógica de controle, a utilização de potenciômetros digitais tende a ser muito mais vantajosa. A robustez do dispositivo, sua vida útil e a facilidade de programação superam a pequena variedade de valores disponíveis e a baixa potência que eles podem dissipar.
