Come è fatto un potenziometro

Come noto, il potenziometro è una resistenza variabile. Fondamentalmente esso è costituito da uno strato di materiale ad alta resistenza elettrica, sopra il quale si muove un contatto strisciante: spostando il contatto mobile è possibile ottenere valori diversi di resistenza, misurabili fra l'inizio dello strato resistivo ed il contatto stesso.
Tutti questi dispositivi sono dotati di tre terminali: come si vede in figura 1, due di essi, e cioè l'uno e il tre, corrispondono alle estremità dell'elemento resistivo indicato con G, mentre il terzo (n.2) è collegato al contatto strisciante o cursore, indicato con S.
L'elemento resistivo è in genere costituito da un sottile strato di grafite, carbone o da un composto metallo/ceramico denominato “cermet”.

Facendo ruotare il contatto S in senso orario (figura 2), la resistenza tra i terminali 1 e 2 aumenta, mentre diminuisce la resistenza fra i terminali 2 e 3; in altre parole, il contatto strisciante si sposta dal terminale 1 verso il terminale 3.
Il valore indicato sul potenziometro indica la resistenza totale che corrisponde all'elemento resistivo G; a seconda della posizione della slitta S, la resistenza si divide in due resistenze di minor valore, la cui somma rimane comunque sempre uguale al valore indicato sul dispositivo.

Come distinguere un potenziometro lineare da uno logaritmico

Esistono fondamentalmente due tipi di potenziometri: quelli a variazione lineare e quelli a variazione logaritmica.
Sono potenziometri lineari quelli in cui la resistenza varia proporzionalmente agli spostamenti dell'alberino; se per esempio con una rotazione di 20 gradi la resistenza cambia di 10 kohm, con una rotazione di 40 gradi la resistenza cambierà di 20 kohm.
Un'altra verifica è la seguente: ruotiamo l'alberino del potenziometro a metà corsa e leggiamo il valore di resistenza fra i terminali 1 e 2; chiameremo Ra questo valore. Leggiamo poi il valore di resistenza fra i terminali 2 e 3; chiameremo Rb questo valore. Se il potenziometro è lineare dovremo trovare Ra = Rb e la somma dei due valori deve corrispondere al valore nominale del potenziometro.

Nei potenziometri logaritmici le variazioni di resistenza non sono direttamente proporzionali alla rotazione dell'alberino. Nella fase iniziale della rotazione la resistenza cambia lentamente; man mano che si procede con la rotazione, la resistenza cambia di quantità sempre maggiori.
Quando occorre usare un potenziometro logaritmico? Per rispondere a questa domanda è necessario parlare brevemente dell'orecchio umano. La sensibilità del nostro orecchio è in effetti proporzionale al logaritmo dell'energia che lo eccita. In altre parole, il suono percepito non è direttamente proporzionale all'intensità sonora; affinchè si possa percepire un suono come di potenza raddoppiata, occorre che il suono sia in realtà circa 10 volte più intenso.
Se passiamo al campo audio, e supponiamo di voler realizzare un controllo di volume, per ottenere la sensazione che il suono vari con regolarità diventa necessario che l'organo che regola il livello (cioè il potenziometro) determini variazioni di resistenza sempre più grandi man mano che il volume sale.
Come esempio, volendo inserire una regolazione del volume nell'amplificatore per mp3 descritto in questo sito, useremo senz'altro un potenziometro a variazione logaritmica.

Determinazione della curva di funzionamento di un potenziometro logaritmico

Per rendersi conto di quello che succede realmente in un potenziometro logaritmico, si può fare una semplice prova, realizzando il circuito di figura 3. Con un alimentatore si fornisce tensione ai terminali esterni (1 e 3), mentre la tensione di uscita viene letta sui terminali 1 e 2 con un voltmetro (o tester). Sul potenziometro deve essere montato un quadrante graduato, in modo da poter leggere esattamente l'angolo di rotazione (figura 4).
Applicata la tensione in ingresso (in questo caso è V_IN = 10 V) si misura, di angolo in angolo, la tensione di uscita V_OUT. i risultati ottenuti sono mostrati nel grafico di figura 5.


La curva blu è quella costruita punto per punto, riportando le letture della tensione V_OUT per vari angoli di rotazione, mentre la curva in rosso mostra, per confronto, l'andamento di una funzione logaritmica canonica. Si osserva che il comportamento del potenziometro è soltanto un'approssimazione della curva logaritmica: in realtà si notano due andamenti lineari la cui pendenza cambia poco dopo i 150 gradi di rotazione.
Anche con questa approssimazione, tuttavia, la regolazione del livello sonoro in un'apparecchiatura audio risulta accettabile, e comunque decisamente migliore rispetto all'uso di un potenziometro lineare.

Trasformare un potenziometro lineare in logaritmico

Ma è divertente constatare che anche un potenziometro lineare può essere trasformato in logaritmico, semplicemente aggiungendo una resistenza sull'uscita, come in figura 6.
Per la prova si è scelto un potenziometro lineare da 100 kohm. Nel grafico di figura 7 si vedono tre curve.
La linea blu, che è più o meno una retta, rappresenta il funzionamento del potenziometro senza modifiche.
La seconda curva, in colore rosso, è stata ottenuta aggiungendo la resistenza RL, del valore di 100 kohm. Si nota già che l'andamento assume un aspetto di tipo logaritmico.
La terza curva, di colore giallo, è stata ottenuta usando per RL un valore di 33 kohm; come si vede, il comportamento di tipo logaritmico è più pronunciato, e quasi si potrebbe sostenere che è più vicino alla curva ideale, che non il potenziometro del grafico di figura 5.
Quanto detto fino ad ora serviva più che altro a discutere dei tipi di regolazione che sono disponibili per i nostri circuiti, e di come il funzionamento reale sia solo approssimativamente quello atteso.
Per concludere si può affermare che il potenziometro logaritmico è da preferire in tutte le regolazioni che coinvolgono l'udito umano, caratterizzato appunto da una sensibilità decrescente col salire del livello sonoro.
E' invece opportuno usare un potenziometro lineare in tutti i casi ove si voglia regolare il funzionamento di un apparato elettrico o meccanico, ove esiste in genere una proporzionalità diretta tra il valore resistivo del potenziometro e la variazione della grandezza fisica controllata: per esempio la temperatura di un forno, la velocità di un motore, il controllo della potenza tramite la  parzializzazione degli impulsi .