Esistono potenziometri "wiperless"?


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I potenziometri sono famosi per l'usura (almeno nella mia esperienza); il piccolo tergicristallo alla fine porta solo il suo contatto e non ha più una connessione elettrica stabile. Per un dispositivo audio, questo può manifestarsi come un crepitio quando si cambia volume. L'usura non è necessariamente uniforme e potrebbero esserci posizioni che hanno un contatto peggiore rispetto ad altre. Ho notato che di solito è peggio vicino al limite superiore (volume pieno; luminosità completa; ecc.), Ma la distribuzione dell'usura può probabilmente essere attribuita principalmente al modo in cui il dispositivo è stato utilizzato.
    Avere un componente con tale attrito mi sembra una pessima idea (ed evidentemente lo è) e spesso mi chiedo se ci sono progetti disponibili in commercio che non hanno un contatto scorrevole (esclusi i potenziometri digitali [1]) e se ' economico. Immagino che uno di questi design senza tergicristallo si baserebbe su cuscinetti a sfera o ingranaggi epiciclici, con almeno una delle sfere o ingranaggi planetari conduttivi, il resto isolante e le tracce in cui rotolano, o l'anello o la stella / attrezzatura solare, avente l'elemento / i gradiente / i resistivo / i. Ma è attualmente disponibile qualcosa del genere?


Nota 1: dovrebbe comportarsi in modo simile a un normale potenziometro passivo. I potenziometri digitali richiedono un alimentatore e assorbono energia, quindi, a quanto ho capito, non sono necessariamente sostituzioni drop-in (un potenziometro digitale a 3 pin richiederebbe che i pin di estremità si raddoppino come alimentatore, il che non è sempre il caso ). Sono particolarmente interessato a sapere se esistono componenti come potenziometri passivi senza tergicristallo che nella loro forma più semplice hanno 3 pin in cui la somma delle resistenze tra i pin 1 e 2 e tra i pin 2 e 3 è destinata ad essere costante (ovvero un 2- il resistore variabile a pin non è di per sé un potenziometro).


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James, non ho mai incontrato o sentito parlare di potenziometri epiciclici (planetari). Avresti potuto inventare qualcosa di nuovo.
Nick Alexeev

1
Intendi come un estensimetro?
Ignacio Vazquez-Abrams,

2
Perché una pentola si "consuma" di solito a tutto volume quando è raramente impostata? Le crepe nei vasi nell'audio sono generalmente dovute allo sporco o alla corrente continua. Rimpatrio audio vintage, 40-60 anni, e non ho mai visto il meccanismo di fallimento che descrivi. Ho visto solo il tergicristallo sollevarsi completamente dalla pista o il guasto meccanico di un interruttore di alimentazione associato.
user207421

@EJP Le pentole scoppiettano di più alla fine del viaggio, perché è lì che si spinge tutto lo sporco. Idealmente, non dovrebbe esserci corrente che fluisce attraverso il tergicristallo di una pentola, sia CC che CA. Ciò rende estremamente difficile applicare un potenziometro in un circuito audio a basso rumore: i buffer ad alta impedenza sono molto rumorosi.
Ripristina Monica

1
Solo una domanda: i vasi digitali sono fuori questione per il tuo design? Sono controllati da un microcontrollore in modo da poter aggirare il problema della "graffiatura" con il compromesso di un ingresso / uscita di un microcontrollore e forse un modo per simularne il controllo lineare / log.
Cowboydan,

Risposte:


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Come ottenere il massimo da un potenziometro?

In molti progetti di precisione a basso rumore, è una cattiva idea iniziare con persino il routing del segnale attraverso il pannello frontale. Quindi, almeno, l'elemento di controllo dovrebbe semplicemente produrre un segnale di tensione che regola un amplificatore / attenuatore controllato in tensione. Con una sorgente potenziometrica, è possibile bufferizzare e filtrare il segnale di controllo in modalità passa-basso, in modo da ridurre al minimo gli effetti di caduta del tergicristallo.

schematico

simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab

Qui, un riferimento di tensione alimenta il potenziometro. La resistenza variabile del tergicristallo è modellata da Rw, che può variare di 9 ordini di grandezza, ma è per lo più "bassa" e dell'ordine di un Ohm. R2 mantiene il tempo costante sopra i 50ms. Da R2 >> R1, l'influenza di R1 è piccola. C2 forma un filtro passa basso con R1 + R2, ma funge anche da condensatore di mantenimento. U2 è un amplificatore operazionale impostato in modalità non invertente, quindi il suo ingresso ha un'impedenza molto elevata. L'uscita di U2 va a un amplificatore controllato in tensione.

C2 dovrebbe essere un tipo a bassa perdita con NP0 o dielettrico plastico e U2 dovrebbe avere uno stadio di ingresso FET o CMOS. Quindi, non usare 741 per gli U2 con l'aspettativa che funzionasse così bene - anche se funzionerà ancora meglio del potenziometro nudo.

Se il filo da R1 al circuito è lungo, potrebbe essere necessario uno scudo avvitato. Tuttavia, sono necessarie alcune sperimentazioni per garantire la stabilità del circuito, poiché la capacità da schermatura a segnale aggiunge un feedback positivo al sistema.

Questo ti dà già un circuito dalle prestazioni molto migliori rispetto all'utilizzo di un potenziometro direttamente sul segnale. Anche con una costante di tempo di 50ms abbastanza breve, puoi sbarazzarti del crepitio anche sui potenziometri più ridicolmente sporchi. Puoi sempre scambiare i tempi di risposta per l'insensibilità al crepitio.

Il routing dell'audio verso i pannelli frontali di solito è un incubo EMI e spesso non è affatto economico farlo correttamente.

Guadagno controllato in tensione

È possibile creare un buon elemento di guadagno con controllo della tensione bang-for-the-buck utilizzando un fotoresistenza illuminato da un LED. I fotoresistori, se li selezioni, possono avere un coefficiente di resistenza di tensione molto basso e quindi una distorsione molto bassa, battendo sicuramente i circuiti moltiplicatori più semplici di un ordine di grandezza o più. Sono disponibili come unità autonome, note come Vactrols, da Excelitas . Devono essere applicati con una certa cura, poiché non si desidera superare circa 100mV attraverso il fotoresistenza, ma per il resto sono dispositivi meravigliosamente potenti per circa $ 5 ciascuno.

Esistono decenti amplificatori controllati in tensione integrati, come l'ultimo acquisto (purtroppo) SSM2018 o il più recente AD8338, THAT2181, ecc.

Che ne dici di rotolare il contatto?

Se hai ancora un mouse meccanico, aprilo. Tira fuori la palla e guarda i rulli. Invariabilmente saranno coperti da una traccia indurita di sporcizia. Il contatto a rotazione non è tutto ciò che è rotto se non riesci a controllare l'ambiente abbastanza bene. I contatti scorrevoli hanno una proprietà autopulente. I contatti a rotazione, in un potenziometro, avrebbero il comportamento esattamente opposto: si sporcherebbero da soli . Sarebbe una pessima idea.

Meccanicamente c'è un altro aspetto che sembra dimenticare: il contatto di rotolamento è fantastico nel concentrare le sollecitazioni e richiede superfici sufficientemente dure per prevenire l'usura. È un po 'difficile realizzare un sensore resistivo a bassa potenza in cui la superficie deve interfacciarsi con una sfera / rullo di metallo pur avendo qualsiasi tipo di aspettativa di vita utile.

Se davvero non ti interessa la potenza del circuito, devi pagare la pista resistiva, a forma di C, in acciaio temprato. Alimentalo con un paio di ampere, in impulsi, usa un circuito di campionamento e mantenimento per ottenere l'ampiezza dell'impulso e sei pronto. Funzionerà finché lo alloggerai in una custodia a prova di polvere. Si noti che l'impermeabilità è di solito più dura di quella impermeabile (!).

TL; DR: Il contatto di rotolamento sarebbe probabilmente la cosa peggiore che avresti mai desiderato in un tergicristallo.

Quindi, quali altre opzioni ci sono?

È possibile ottenere il segnale da altre fonti. Funzionano tutti convertendo l'angolo dell'albero in una tensione, utilizzando una varietà di tecniche. Li presento in nessun ordine particolare.

Potenziometri senza contatto

Supponiamo di iniziare con una traccia resistiva di base a forma di C di un potenziometro. Scegli uno grande, in modo che sia facile da lavorare. Aprilo. Piega il tergicristallo in modo che sia sollevato dalla pista, ma solo leggermente. Alimenta la traccia con un segnale AC, ad esempio un'onda quadra da 1 MHz, con l'altra estremità della traccia a 0 V. Il tergicristallo è accoppiato in modo capacitivo alla traccia e raccoglierà un segnale la cui ampiezza è proporzionale alla posizione sulla traccia. Dovrai modificarlo per sbarazzarti delle peggiori capacità parassitarie, ma funzionerà. È possibile utilizzare un follower FET o un amplificatore operazionale per ridurre l'impedenza del segnale del tergicristallo, quindi utilizzare un demodulatore sincrono per riconvertire l'ampiezza in banda base. Potrebbe sembrare fantasioso, ma per un sensore così semplice puoi farlo su un paio di dollari di pezzi, niente di speciale.

Trasformatori variabili

Una fonte molto precisa e forse esagerata sarebbe un RVDT (un cugino rotante di un LVDT). Per un progetto "vanity" unico, sarebbe una buona scelta: queste cose sono praticamente indistruttibili e, per fortuna, puoi ottenerle a buon mercato dal surplus. Per un controllo del volume, potresti creare un condizionatore RVDT molto semplice (il circuito è lo stesso di un LVDT).

Condensatori variabili

Un'altra opzione di vanità sarebbe un vecchio, pesante, condensatore rotante. I migliori hanno un paio di cuscinetti a sfera. Simile a un RVDT, non hanno altre parti a contatto da consumare. Metti il ​​condensatore in un circuito multivibratore, collegalo a un circuito convertitore tensione-frequenza (le note dell'app LT ne hanno in abbondanza) e sei pronto.

Sensori magnetici

Un'opzione di costo molto più basso sarebbe un sensore Hall. Supponiamo di avere un magnete orientato radialmente su un albero e un trasduttore Hall accanto ad esso. Quando si ruota l'albero, il flusso magnetico che passa attraverso un sensore posizionato correttamente varierà. Questa è una buona fonte di una tensione di controllo - anche economica da implementare.

Sensori ottici

Puoi anche avere un sensore ottico: stampa un V-gap, con XY mappato su coordinate polari, su un foglio di pellicola trasparente. Installare sull'albero. Metti una coppia LED-fotodettore in modo che "veda" attraverso lo spazio. Condizionare il fotorilevatore (un transistor o un diodo) con un amplificatore operazionale.

Un'altra opzione ottica che non necessita di un V-gap sarebbe quella di avere un disco inclinato montato sull'estremità di un albero, in modo che non sia del tutto perpendicolare all'asse dell'albero. Quindi utilizzare un sensore riflettente (LED + fotorilevatore) per ottenere un segnale continuo proporzionale all'angolo.

Un'altra opzione ottica è quella di avere un modello multifase stampato su un cilindro sull'albero e utilizzare più sensori ottici, con le loro uscite sommate, fornire l'uscita. Il modello potrebbe apparire come segue:

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

Quando il cilindro gira sopra i sensori, le loro uscite si abbassano progressivamente. Modificando con giudizio il numero di rivelatori / strisce e la distanza di rilevamento, è possibile cavarsela con un semplice motivo in bianco e nero. A volte è più facile da fabbricare di qualcosa di più elaborato.

Convertitori deformazione ad angolo

Un'altra opzione, abbastanza sensata se si sa come gestire gli estensimetri, sarebbe quella di avere l'interfaccia dell'albero con una lunga molla a spirale. Schiaccia un ponte estensimetrico a 4 misuratori da qualche parte sulla molla, con l'asse sensibile lungo la lunghezza della molla e otterrai un segnale molto bello proporzionale all'angolo dell'albero. Dovrai aggiungere un po 'di attrito nel circuito meccanico in modo che l'albero rimanga fermo quando rilasci la manopola.

Cianfrusaglie

Un'altra opzione, se vuoi diventare funky, sarebbe quella di avere un condensatore acustico variabile. Far passare l'albero attraverso una scatola toroidale piatta. Può avere una sezione rettangolare, ovviamente. Fai una fessura radiale all'interno della scatola ed estendi un perno radiale dall'albero attraverso la fessura radiale. Attacca una paletta che riempie quasi completamente la sezione trasversale della scatola fino all'estremità del perno. Nel punto zero nella casella, aggiungere una partizione e un trasduttore acustico. Collegalo a un oscillatore e avrai un convertitore angolare-acustico elettro-acustico.


Quanto sopra sono solo le cose che ho provato, con un certo grado di successo, ad un certo punto della vita. C'è quasi una scorta infinita di altre idee, se vuoi divertirti con la trasduzione.


Se riesci a gestire la complessità aggiuntiva, un codificatore ottico rotante è probabilmente la soluzione migliore. Sono ampiamente utilizzati nell'industria spaziale perché sono a bassa potenza, affidabili e non si consumano. (Sto lavorando su un payload che utilizza un potenziometro per risparmiare sui costi, ma lascia che ti dica che non ne vale la pena.)
Campion 2012

@ 2012rcampion Il problema principale con gli encoder è che offrono un output discreto. Se uno si preoccupa, come fanno alcune persone, di un risultato veramente senza passi, è solo discreto nel tempo, se non altro, tutti quegli altri metodi possono funzionare abbastanza bene. Tutto dipende dal grado di overboardiness che desideri sia il progetto. Per un progetto di vanità, il più divertente è il migliore :)
Ripristina Monica

Hai ragione, non userei un encoder per sostituire un pot in qualsiasi circuito analogico (ad esempio, il potenziometro del volume di una chitarra). Lo userei se stai digitalizzando comunque l'output (ad es. Per leggere in un uc o per controllare il guadagno in output su un dac).
2012campo

@ 2012rcampion Fankly ha detto che non avrei applicato un piatto direttamente al segnale audio nemmeno su una chitarra. In effetti, non lo applicherei mai direttamente a un periodo di segnale audio. Non è mai una soluzione duratura e la sostituzione di pentole crackly non è il mio passatempo preferito. Probabilmente la più semplice resistenza controllata a bassa distorsione è una fotoresistenza: sarebbe un elemento decisamente migliore per il controllo del volume rispetto a una pentola.
Ripristina Monica

1
È possibile creare un codificatore ottico completamente continuo occludendo gradualmente una luce o modificandone l'angolo di incidenza. È solo che poi sei in ostaggio della linearità del tuo rivelatore.
pjc50,

6

No, non esistono. Semplicemente perché non possono.

Un potenziometro è costituito da una pista di carbonio con un tergicristallo che si muove su e giù. Non puoi far muovere quel tergicristallo sulla pista del carbonio senza attrito. Sì, potresti ridurre l'attrito con cuscinetti e simili, ma ci sarà sempre quell'attrito.

Quindi le persone usano invece un codificatore rotante - molto spesso uno ottico se si desidera un basso attrito - un disco con delle fessure al suo interno che rompe un numero di raggi infrarossi.


4
Il potenziometro tipico ha attrito radente. Se capisco correttamente l'OP, mi propone di usare diversi meccanismi che sostituiranno l'attrito radente con l'attrito volvente. Ciò può essere o non essere fattibile o economico. Ma l'idea sembra pulita, almeno dal punto di vista del cielo blu.
Nick Alexeev

1
"Non puoi far muovere quel tergicristallo sulla pista di carbonio senza attrito." piccolo disallineamento con le altre ruote, ecc., ma questo è in qualche modo diverso da un tubo di scarico che gratta dietro la strada. : -]
James Haigh

1
Fai rotolare un cuscinetto a sfere su un pezzo di carbonio per un po '. Guarda apparire il solco. Quindi immagina come prevedi che quel cuscinetto a sfera finisca per staccarsi e rompere il contatto. Pressione. Aumento della pressione Ciò equivale a maggiore attrito e maggiore profondità della scanalatura.
Majenko,

2
Solo i potenziometri più economici utilizzano una pista in carbonio. Esistono progetti di polimeri conduttivi, oltre a quelli in cermet. Tutti sono troppo fragili per farci rotolare qualcosa. Il contatto scorrevole in realtà è il modo più delicato per interfacciarsi con la pista resistiva. La maggior parte dei potenziometri, applicati in modo improprio, non si consumano, ma si screpolano. Ciò è dovuto alla polvere intrappolata sulla pista, tra il cursore e la pista. Non indica usura, ma semplicemente la realtà di quanto sia difficile tenere fuori la polvere - ed è dura . L'OP insegue in qualche modo una soluzione senza definire il problema.
Ripristina Monica

Se si utilizza un cilindro rotante anziché un cuscinetto a sfere, si avrebbe una superficie molto maggiore che distribuisce la forza applicata e riduce l'attrito. Per vedere cosa fanno i professionisti per realizzare una scatola di resistenza da decennio di precisione, vedrai che non evitano gli attriti: EEVblog # 461 - Genrad Decade Resistance Box Teardown - at youtube.com/watch?v=fKrvtYS_6fI&t=10m18s
MicroservicesOnDDD

2

È molto difficile evitare che la resistenza del tergicristallo vari arbitrariamente con la posizione del tergicristallo. In un buon design, tuttavia, la resistenza del tergicristallo avrà un effetto minimo sul comportamento del circuito. Ogni riduzione di dieci volte della quantità di corrente trasportata dal tergicristallo causerà una riduzione di dieci volte della quantità di tensione sovrapposta alla sua resistenza. Allo stesso modo, ogni aumento di dieci volte della tensione trasportata dal piatto provoca una riduzione di dieci volte del significato di qualsiasi tensione sovrapposta dalla resistenza.

Se un dispositivo tenta di pilotare un altoparlante da 8 ohm da 1/8 watt (1VRMS) utilizzando un potenziometro da 10 ohm come controllo del volume, una variazione di un ohm nella resistenza del tergicristallo si manifesterà come una variazione di 1/8 di volt nella segnale. Cattiva. Se si dovesse usare un trasformatore step-up 50: 1 per ridimensionare la tensione da 1V 1 / 8A a 50V 1 / 400A prima di passarlo attraverso una pentola da 500 ohm, una variazione di un ohm nella resistenza del tergicristallo si manifesterebbe come una variazione di 1/400-volt nel segnale al piatto; passarlo attraverso un trasformatore step-down 1:50 per pilotare un altoparlante lo farebbe apparire lì come un segnale da 1 / 20.000 volt (una riduzione di 2.500 volte rispetto al controllo diretto dell'altoparlante). Un grande miglioramento.


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Su un aspetto più ingegneristico, per ottenere l'effetto di una "pentola senza attrito", è possibile controllare una pentola digitale (o qualcosa di simile) con uno strumento di misurazione senza contatto.

Ad esempio, è possibile ottenere uno di quei moduli sonar e controllare un d-pot traducendo la distanza tra il sensore e il bersaglio in movimento misurata senza contatto usando il sonar in una resistenza (o posizione del tergicristallo) sul d-pot.

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