Caso práctico: Potenciómetro como divisor variable

Prototipo de Potenciómetro como divisor variable (Maker Style)

Nivel: Básico. Objetivo: Entender cómo varía el voltaje de salida al modificar la resistencia en un potenciómetro conectado como divisor de voltaje.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito divisor de voltaje variable utilizando un potenciómetro lineal para generar una señal de voltaje analógica ajustable que oscila entre 0 V y el voltaje de alimentación.

  • Por qué es útil:

    • Se utiliza en perillas de volumen para equipos de audio.
    • Proporciona voltajes de referencia para comparadores y amplificadores operacionales.
    • Simula datos de sensores analógicos (como temperatura o luz) durante las pruebas.
    • Actúa como señal de control para reguladores de intensidad (dimmers) y controladores de velocidad de motores.
    • Esencial para calibrar la sensibilidad en circuitos de sensores.

  • Resultado esperado:

    • El voltaje de salida (VOUT) varía suavemente de 0 V a 5 V.
    • En el punto medio mecánico de un potenciómetro lineal, VOUT marca aproximadamente 2.5 V.
    • La suma del voltaje a través de la sección superior y el voltaje a través de la sección inferior es igual al voltaje de la fuente (VIN).

  • Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados a la electrónica (Nivel: Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de 5 V DC, función: fuente de alimentación principal.
  • R1: Potenciómetro lineal de 10 kΩ, función: divisor de voltaje variable.
  • M1: Multímetro digital (configurado en Voltios DC), función: medir V_OUT.
  • W1: Cables puente (jumpers), función: interconexiones.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza las convenciones estándar de nomenclatura de nodos SPICE (VCC, 0 para GND, VOUT).

  • V1 (Terminal Positivo): Se conecta al nodo VCC.
  • V1 (Terminal Negativo): Se conecta al nodo 0 (GND).
  • R1 (Pin 1 – Superior/Fijo): Se conecta al nodo VCC.
  • R1 (Pin 3 – Inferior/Fijo): Se conecta al nodo 0 (GND).
  • R1 (Pin 2 – Cursor/Variable): Se conecta al nodo VOUT.
  • M1 (Sonda Positiva): Se conecta al nodo VOUT.
  • M1 (Sonda Negativa): Se conecta al nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Potentiometer
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ SOURCE ]                       [ COMPONENT ]                     [ MEASUREMENT ]

[ V1: 5 V Supply (+) ] --(Node VCC)--> [ R1: Pin 1 (Top)    ]
                                      |                    |
                                      |  Potentiometer     |
                                      |  (Voltage Divider) |
                                      |                    |
                                      |  R1: Pin 2 (Wiper) ] --(Node VOUT)--> [ M1: Multimeter (+) ]
                                      |                    |
[ V1: 5 V Supply (-) ] --(Node 0)----> [ R1: Pin 3 (Bottom) ] --(Node 0)-----> [ M1: Multimeter (-) ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento del divisor de voltaje:

  1. Configuración: Configura el multímetro para medir voltaje DC (rango de 20 V). Conecta la sonda negra a Tierra (0) y la sonda roja al cursor (wiper) del potenciómetro (VOUT).
  2. Verificación de Mínimo: Gira la perilla del potenciómetro completamente en sentido antihorario.
    • Observación: El multímetro debería leer aproximadamente 0 V.
  3. Verificación de Máximo: Gira la perilla del potenciómetro completamente en sentido horario.
    • Observación: El multímetro debería leer aproximadamente 5 V (o igual al voltaje específico de tu V1).
  4. Verificación del Punto Medio: Gira la perilla al centro físico aproximado.
    • Observación: El multímetro debería leer aproximadamente 2.5 V.
  5. Prueba de Linealidad: Gira la perilla lentamente de un extremo al otro.
    • Observación: La lectura de voltaje debería cambiar suavemente sin saltos.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Potentiometer as a variable divider

* --- Power Supply ---
* V1: 5V Main power source
* Connected to VCC (+) and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Simulation Control Source ---
* Vknob simulates the mechanical action of the potentiometer.
* Sweeps from 0 (0%) to 1 (100%) over 500us.
Vknob knob 0 PWL(0 0 500u 1)

* --- R1: 10k Potentiometer ---
* Implemented as two behavioral voltage sources (B-sources) acting as variable resistors.
* This allows the "Variable Divider" behavior to be simulated in Transient analysis.
* Total Resistance ~ 10k.

* R1 Top Part (Pin 1 to Pin 2): Connects VCC to VOUT
* Resistance = 10k * (1 - Knob) + 1 ohm (offset to avoid divide-by-zero/shorts)
B_R1_top VCC VOUT V = I(B_R1_top) * (10000 * (1 - V(knob)) + 1)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Potentiometer as a variable divider

* --- Power Supply ---
* V1: 5V Main power source
* Connected to VCC (+) and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Simulation Control Source ---
* Vknob simulates the mechanical action of the potentiometer.
* Sweeps from 0 (0%) to 1 (100%) over 500us.
Vknob knob 0 PWL(0 0 500u 1)

* --- R1: 10k Potentiometer ---
* Implemented as two behavioral voltage sources (B-sources) acting as variable resistors.
* This allows the "Variable Divider" behavior to be simulated in Transient analysis.
* Total Resistance ~ 10k.

* R1 Top Part (Pin 1 to Pin 2): Connects VCC to VOUT
* Resistance = 10k * (1 - Knob) + 1 ohm (offset to avoid divide-by-zero/shorts)
B_R1_top VCC VOUT V = I(B_R1_top) * (10000 * (1 - V(knob)) + 1)

* R1 Bottom Part (Pin 2 to Pin 3): Connects VOUT to GND
* Resistance = 10k * Knob + 1 ohm
B_R1_bot VOUT 0 V = I(B_R1_bot) * (10000 * V(knob) + 1)

* --- M1: Digital Multimeter ---
* Function: Measure V_OUT.
* Modeled as a high input impedance load (10 Megohm) connected to VOUT and GND.
R_M1 VOUT 0 10Meg

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis to capture the full sweep of the potentiometer (500us)
.tran 1u 500u

* Print the Output Voltage and the Control Signal (Knob position)
.print tran V(VOUT) V(knob)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (508 rows) 
Index   time            v(vout)         v(knob)
0	0.000000e+00	4.999000e-04	0.000000e+00
1	1.000000e-08	5.998800e-04	2.000000e-05
2	2.000000e-08	6.998599e-04	4.000000e-05
3	4.000000e-08	8.998199e-04	8.000000e-05
4	8.000000e-08	1.299740e-03	1.600000e-04
5	1.600000e-07	2.099579e-03	3.200000e-04
6	3.200000e-07	3.699258e-03	6.400000e-04
7	6.400000e-07	6.898613e-03	1.280000e-03
8	1.280000e-06	1.329731e-02	2.560000e-03
9	2.280000e-06	2.329525e-02	4.560000e-03
10	3.280000e-06	3.329314e-02	6.560000e-03
11	4.280000e-06	4.329099e-02	8.560000e-03
12	5.280000e-06	5.328880e-02	1.056000e-02
13	6.280000e-06	6.328657e-02	1.256000e-02
14	7.280000e-06	7.328430e-02	1.456000e-02
15	8.280000e-06	8.328200e-02	1.656000e-02
16	9.280000e-06	9.327965e-02	1.856000e-02
17	1.028000e-05	1.032773e-01	2.056000e-02
18	1.128000e-05	1.132749e-01	2.256000e-02
19	1.228000e-05	1.232724e-01	2.456000e-02
20	1.328000e-05	1.332699e-01	2.656000e-02
21	1.428000e-05	1.432674e-01	2.856000e-02
22	1.528000e-05	1.532648e-01	3.056000e-02
23	1.628000e-05	1.632622e-01	3.256000e-02
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Dejar el cursor (wiper) flotando: Conectar solo las dos patas fijas del potenciómetro hace que actúe como una resistencia fija. Conecta siempre el pin central (cursor) a tu nodo de salida.
  2. Cortocircuitar la fuente: Conectar el cursor a VCC y una pata fija a 0, y luego girar la perilla completamente hacia el lado conectado a tierra crea un cortocircuito. Asegúrate de que las patas fijas vayan a Alimentación y Tierra, y que el Cursor sea la Salida.
  3. Usar un potenciómetro logarítmico: Los potenciómetros de audio (Log) cambian la resistencia de forma no lineal. Para una prueba de divisor de voltaje predecible, asegúrate de usar uno lineal (generalmente marcado como ‘B’).

Solución de problemas

  • Síntoma: El voltaje es constante en 2.5 V independientemente de la posición de la perilla.
    • Causa: El cursor está desconectado, o estás midiendo a través de los terminales fijos.
    • Solución: Verifica que la sonda del multímetro esté conectada específicamente al pin central (cursor).
  • Síntoma: Humo o calor proveniente del potenciómetro.
    • Causa: Cortocircuito creado al conectar el cursor a un riel y girarlo hacia el riel opuesto.
    • Solución: Desconecta inmediatamente la alimentación. Vuelve a conectar de modo que los pines exteriores fijos se conecten a VCC y GND, y el cursor se conecte solo al medidor de alta impedancia.
  • Síntoma: El voltaje salta erráticamente (por ejemplo, 1 V -> 4 V -> 2 V).
    • Causa: Pista interna sucia o defectuosa (el cursor pierde contacto).
    • Solución: Reemplaza el potenciómetro o límpialo con limpiador de contactos.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Efecto de carga: Conecta una resistencia fija de 1 kΩ entre VOUT y 0. Observa cómo el voltaje de salida cae significativamente en comparación con el estado sin carga, demostrando el desajuste de impedancia.
  2. Límites seguros: Agrega una resistencia fija de 330 Ω en serie con la pata superior y otra con la pata inferior. Esto restringe el rango de salida (por ejemplo, 0.5 V a 4.5 V) y protege el potenciómetro de cortocircuitos si la salida se conecta accidentalmente a tierra.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente principal se utiliza para crear el divisor de voltaje variable?




Pregunta 3: ¿Cuál es el rango de oscilación del voltaje de salida esperado en este circuito?




Pregunta 4: ¿Qué valor de voltaje se espera medir aproximadamente en el punto medio mecánico de un potenciómetro lineal alimentado con 5 V?




Pregunta 5: ¿Cuál de las siguientes es una aplicación útil mencionada para este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué relación existe entre los voltajes de la sección superior e inferior del potenciómetro?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de señal de control puede actuar este circuito para dimmers y motores?




Pregunta 8: ¿Cuál es el nivel de dificultad indicado para este artículo?




Pregunta 9: ¿Qué tipo de potenciómetro se especifica para obtener 2.5 V exactamente en el punto medio?




Pregunta 10: ¿Qué función cumple este circuito en equipos de audio según el texto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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