¿Existen potenciómetros 'sin limpiador'?

Los potenciómetros son famosos por su desgaste (al menos en mi experiencia); el pequeño limpiador eventualmente solo usa su contacto y ya no tiene una conexión eléctrica firme. Para un dispositivo de audio, esto puede manifestarse como un crujido al cambiar el volumen. El desgaste no es necesariamente uniforme y puede haber posiciones que tengan peor contacto que otras. He notado que suele ser peor cerca del límite superior (volumen completo; brillo total; etc.), pero la distribución del desgaste probablemente se puede atribuir principalmente a cómo se ha utilizado el dispositivo.
    Tener un componente con tal fricción me parece una muy mala idea (y evidentemente lo es) y a menudo me pregunto si hay diseños disponibles comercialmente que no tengan un contacto deslizante (excluyendo los potenciómetros digitales [1]), y si ' re económico. Imagino que uno de estos diseños sin limpiaparabrisas se basaría en rodamientos de bolas o engranajes epicíclicos, con al menos una de las bolas o engranajes planetarios conductores, el resto aislante y las pistas en las que ruedan, o el anillo o la estrella / Equipo solar, que tiene el (los) elemento (s) de gradiente resistivo. ¿Pero hay algo como esto actualmente disponible?

Nota 1: Debe comportarse de manera similar a un potenciómetro pasivo ordinario. Los potenciómetros digitales requieren una fuente de alimentación y consumen energía, por lo que, según tengo entendido, no son necesariamente reemplazos directos (un potenciómetro digital de 3 pines requeriría que los pines finales se dupliquen como fuente de alimentación, lo cual no siempre es el caso ) Estoy específicamente interesado en saber si existen componentes tales como los potenciómetros pasivos sin limpiador que en su forma más simple tienen 3 pines donde la suma de las resistencias entre los pines 1 y 2 y entre los pines 2 y 3 está destinada a ser constante (es decir, un 2- pin resistor variable no es en sí mismo un potenciómetro).

¿Cómo aprovechar al máximo un potenciómetro?

En muchos diseños de precisión y de bajo ruido, es una mala idea comenzar incluso para que la señal se enrute a través del panel frontal. Por lo tanto, como mínimo, el elemento de control simplemente debe producir una señal de voltaje que gobierna un amplificador / atenuador controlado por voltaje. Con una fuente potenciométrica, puede almacenar en búfer y filtro de paso bajo la señal de control, para minimizar los efectos de caída del limpiador.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Aquí, una referencia de voltaje alimenta el potenciómetro. La resistencia variable del limpiaparabrisas está modelada por Rw, que puede variar en 9 órdenes de magnitud, pero en su mayoría es "baja" y del orden de un Ohm. R2 mantiene el tiempo constante por encima de 50 ms. Desde R2 >> R1, la influencia de R1 es pequeña. C2 forma un filtro de paso bajo con R1 + R2, pero también actúa como un condensador de retención. U2 es un amplificador operacional configurado en modo no inversor, por lo que su entrada tiene una impedancia muy alta. La salida de U2 va a un amplificador controlado por voltaje.

C2 debería ser del tipo de baja fuga con NP0 o dieléctrico de plástico, y U2 debería tener una etapa de entrada FET o CMOS. Por lo tanto, no use 741 para U2 con la expectativa de que funcionaría tan bien, aunque aún funcionará mejor que el potenciómetro desnudo.

Si el cable de R1 al circuito es largo, es posible que necesite un escudo de arranque. Sin embargo, es necesario experimentar un poco para garantizar la estabilidad del circuito, ya que la capacitancia de escudo a señal agrega retroalimentación positiva al sistema.

Eso ya le ofrece un circuito con un rendimiento mucho mejor que usar un potenciómetro directamente en la señal. Incluso con una constante de tiempo bastante corta de 50 ms, puede deshacerse del crujido incluso en los potenciómetros más ridículamente sucios. Siempre puede cambiar el tiempo de respuesta por insensibilidad al crujido.

Enrutar el audio a los paneles frontales suele ser una pesadilla EMI y, a menudo, no es nada barato hacerlo correctamente.

Ganancia controlada por voltaje

Se puede hacer un buen elemento de ganancia controlado por voltaje de golpe por dinero utilizando un fotorresistor iluminado por un LED. Los fotoresistores, si los selecciona, pueden tener un coeficiente de resistencia de voltaje muy bajo y, por lo tanto, una distorsión muy baja, superando a la mayoría de los circuitos multiplicadores simples en un orden de magnitud o más. Están disponibles como unidades autónomas, conocidas como Vactrols, de Excelitas . Deben aplicarse con cuidado, ya que no desea superar los 100 mV en el fotorresistor, pero de lo contrario son dispositivos maravillosamente potentes por alrededor de $ 5 cada uno.

Hay amplificadores integrados controlados por voltaje decentes, como el SSM2018 de última compra (lamentablemente), o el AD8338, YOUR2181 más nuevos, etc.

¿Qué tal un contacto rodante?

Si todavía tiene un mouse mecánico, ábralo. Saca la pelota y mira los rodillos. Invariablemente estarán cubiertos con un rastro endurecido de mugre. El contacto rodante no es todo lo que está hecho si no puedes controlar el entorno bastante bien. Los contactos deslizantes tienen una propiedad de autolimpieza. Los contactos rodantes, en un potenciómetro, tendrían exactamente el comportamiento opuesto: se ensuciarían . Esa sería una muy mala idea.

Mecánicamente, hay otro aspecto que parece olvidar: el contacto rodante es maravilloso para concentrar las tensiones y requiere superficies suficientemente duras para evitar el desgaste. Es un poco difícil hacer un sensor resistivo de baja potencia donde la superficie necesita interactuar con una bola / rodillo de metal mientras se tiene algún tipo de esperanza de vida útil.

Si realmente no te importa la potencia del circuito, estás obligado a hacer la pista resistiva, en forma de C, de acero endurecido. Aliméntelo con un par de amperios, en pulsos, use un circuito de muestreo y retención para obtener la amplitud del pulso, y estará listo. Funcionará siempre que lo aloje en un recinto a prueba de polvo. Tenga en cuenta que a prueba de polvo suele ser más difícil que a prueba de agua (!).

TL; DR: El contacto rodante sería posiblemente lo peor que desearías en un limpiador de potenciómetro.

Entonces, ¿qué otras opciones hay?

Puede obtener la señal de otras fuentes. Todos funcionan convirtiendo el ángulo del eje en un voltaje, utilizando una variedad de técnicas. Los presento sin ningún orden en particular.

Potenciómetros sin contacto

Suponga que comienza con una pista resistiva básica en forma de C de un potenciómetro. Elija uno grande, para que sea fácil trabajar en él. Abrelo. Dobla el limpiaparabrisas para que se levante de la pista, pero muy ligeramente. Alimente la pista con una señal de CA, digamos una onda cuadrada de 1MHz, con el otro extremo de la pista a 0V. El limpiador está acoplado capacitivamente a la pista y captará una señal cuya amplitud sea proporcional a la posición en la pista. Tendrá que ajustarlo para deshacerse de las peores capacidades parasitarias, pero funcionará. Puede usar un seguidor FET o un amplificador operacional para reducir la impedancia de la señal del limpiador, luego usar un demodulador síncrono para convertir la amplitud de nuevo a la banda base. Puede sonar elegante, pero para un sensor tan simple, puede hacerlo con un par de piezas por valor de dólares, no se necesita nada lujoso.

Transformadores variables

Una fuente muy precisa y quizás exagerada sería un RVDT (primo rotativo de un LVDT). Para un proyecto único de "vanidad", sería una buena opción: estas cosas son virtualmente indestructibles y, con suerte, puede obtenerlas de forma económica a partir de los excedentes. Para un control de volumen, puede hacer un acondicionador RVDT muy simple (el circuito es el mismo que para un LVDT).

Condensadores variables

Otra opción de tocador sería un condensador rotativo viejo, pesado y pesado. Los mejores tienen un par de rodamientos de bolas. Al igual que un RVDT, no tienen otras piezas de contacto que se desgasten. Coloque el condensador en un circuito multivibrador, conéctelo a un circuito convertidor de voltaje a frecuencia (las notas de la aplicación LT tienen muchos de esos), y listo.

Sensores magnéticos

Una opción de costo mucho más bajo sería un sensor Hall. Suponga que tiene un imán orientado radialmente en un eje y un transductor Hall al lado. A medida que gira el eje, el flujo magnético que pasa a través de un sensor colocado correctamente variará. Esta es una buena fuente de voltaje de control, también barata de implementar.

Sensores ópticos

También puede tener un sensor óptico: imprima un V-gap, con XY asignado a coordenadas polares, en una hoja de lámina de transparencia. Instalar en el eje. Coloque un par de LED-fotodectector para que "vea" a través del espacio. Condicione el fotodetector (ya sea un transistor o un diodo) con un amplificador operacional.

Otra opción óptica que no necesita un espacio en V sería tener un disco inclinado montado en el extremo de un eje, de modo que no sea completamente perpendicular al eje del eje. Luego use un sensor reflectante (LED + fotodetector) para obtener una señal continua proporcional al ángulo.

Otra opción óptica es tener un patrón multifásico impreso en un cilindro en el eje, y usar múltiples sensores ópticos, con sus salidas sumadas, proporcionan la salida. El patrón podría verse de la siguiente manera:

axial distance
^
|   █████████
|      ██████
|         ███
|0---------360--> angle

A medida que el cilindro gira por encima de los sensores, sus salidas disminuyen progresivamente. Al ajustar juiciosamente la cantidad de detectores / bandas y la distancia de detección, puede sobrevivir con un patrón simple en blanco y negro. A veces es más fácil de fabricar que algo más elegante.

Convertidores de deformación a ángulo

Otra opción, bastante sensata si sabes cómo lidiar con los medidores de tensión, sería tener la interfaz del eje con un resorte espiral largo. Golpee un puente de galgas extensométricas de 4 instrumentos en algún lugar del resorte, con el eje sensible a lo largo de la longitud del resorte, y obtendrá una señal muy agradable proporcional al ángulo del eje. Deberá agregar un poco de fricción al circuito mecánico para que el eje permanezca en su lugar cuando suelte la perilla.

Probabilidades y fines

Sin embargo, otra opción, si desea ponerse funky, sería tener un condensador acústico variable. Haga que el eje atraviese una caja toroidal plana. Puede tener una sección transversal rectangular, por supuesto. Haga una ranura radial a través del interior de la caja y extienda un pasador radial desde el eje a través de la ranura radial. Adjunte una paleta que casi llena la sección transversal de la caja hasta el final del pasador. En el punto cero en el cuadro, agregue una partición y un transductor acústico. Conéctelo a un oscilador y tendrá un convertidor electroacústico de ángulo a período.

Lo anterior son solo las cosas que he probado, con cierto grado de éxito, en algún momento de la vida. Hay casi un suministro infinito de otras ideas, si quieres divertirte un poco con la transducción.

No, no existen. Simplemente porque no pueden.

Un potenciómetro consiste en una pista de carbono con un limpiaparabrisas que se mueve hacia arriba y hacia abajo. No puede hacer que el limpiaparabrisas se mueva sobre la pista de carbono sin fricción. Sí, podría reducir la fricción con rodamientos y demás, pero siempre habrá esa fricción.

Por lo tanto, las personas usan un codificador rotatorio, la mayoría de las veces uno óptico si se desea una baja fricción, un disco con ranuras que rompe una serie de rayos infrarrojos.

Es muy difícil evitar que la resistencia del limpiador varíe arbitrariamente con la posición del limpiador. Sin embargo, en un buen diseño, la resistencia del limpiador tendrá un efecto mínimo en el comportamiento del circuito. Cada reducción de diez veces en la cantidad de corriente transportada por el limpiador causará una reducción de diez veces en la cantidad de voltaje superpuesta por su resistencia. Del mismo modo, cada aumento de diez veces en el voltaje transportado por la olla provocará una reducción de diez veces en la importancia de cualquier voltaje superpuesto por la resistencia.

Si un dispositivo intenta manejar un altavoz de 1/8 vatios y 8 ohmios (1VRMS) usando una olla de 10 ohmios como control de volumen, una variación de un ohmio en la resistencia del limpiador se manifestará como una variación de 1/8 voltios en el señal. Asqueroso. Si se usara un transformador elevador de 50: 1 para escalar el voltaje de 1V 1 / 8A a 50V 1 / 400A antes de pasarlo a través de una olla de 500 ohmios, entonces una variación de un ohmio en la resistencia del limpiador se manifestaría como una variación de 1/400-volt en la señal en el bote; pasarlo a través de un transformador reductor 1:50 para activar un altavoz lo haría aparecer allí como una señal de 1 / 20,000 voltios (una reducción de 2,500 veces en comparación con el control directo del altavoz). Una gran mejora.

En un aspecto más ingenieril, para lograr el efecto de una "olla sin fricción", puede controlar una olla digital (o algo similar) con una herramienta de medición sin contacto.

Por ejemplo, puede obtener uno de esos módulos de sonda y controlar un d-pot traduciendo la distancia entre el sensor y el objetivo en movimiento medido sin contacto usando la sonda en una resistencia (o posición de limpiaparabrisas) en el d-pot.